BiFeO3/C/Ag薄膜的电阻开关特性研究

梁丹丹 陈鹏

摘要：利用磁控濺射的方法在单晶p型Si（100）片上生长BiFeO3/C/Ag薄膜，研究器件的阻变特性. 实验结果表明，随着退火温度的升高，器件显示出越来越明显的电阻开关效应.

关键词：BiFeO3；电阻开关；特性

铁酸铋（BiFeO3）是多铁材料研究的热点之一，并且在BiFeO3薄膜中已经观察到电阻开关行为. 石墨（C）制品具备优良的性能，应用日益广泛. 本文研究了BiFeO3/C/Ag薄膜中退火温度对电阻开关特性的影响.

1 样品制备及测量

铁酸铋和石墨靶材（纯度均为99.99%）是直接购买于公司. 在室温下，采用直流磁控溅射的方法在p型硅（100）单晶衬底上溅射230 nm的银（Ag）薄膜作为下电极，用同样的方法再溅射200 nm的石墨（C）薄膜. 然后在石墨薄膜的基础上，用射频磁控溅射的方法生长200 nm的铁酸铋（BiFeO3）薄膜，沉积的背景真空度为4.4×10-4 Pa，溅射功率为88 W，氩气气压为1 Pa，基片与靶材的距离为8 cm. 将样品放置在不同温度（TA = 100℃，200℃和300℃）的真空条件下退火1小时. 最后在样品的顶部沉积厚度为100 nm，直径为0.1 mm的圆形银电极用于进行各种电数据的测量. BiFeO3/C/Ag薄膜的I-V曲线通过美国Keithley公司生产的2400测试，用两个探针将样品的上下两个银电极分别连接起来，接入到2400仪器上，再将2400仪器与电脑连接在一起即可进行数据测量. 图1（a）为BiFeO3/C/Ag薄膜样品的结构图及测量示意图.

2 结果与讨论

图1（b）是由扫描电子显微镜（SEM）扫描样品横截面的图像，由图可知，BiFeO3薄膜的厚度为200 nm，石墨层的厚度为200 nm，并且各薄膜层的界面清晰可见. 图2（a）是通过直流电压扫描测量样品的I-V曲线，图2（b）是I-V曲线的对数图. 在I-V曲线的测量中，所加偏压的扫描顺序为0V→1V→-1V→0V，扫描速度为0.1 V/s，为避免击穿器件，限流1 mA. 图2显示了样品在不同退火温度下的电阻开关特性，从图中可以看出，样品刚开始处于高阻态，随着电压的增加，器件由高阻态转变为低阻态，这一过程称为“set”过程. 当扫描电压反向时，器件从低阻态转变为高阻态，这一过程称为“reset”过程. 从图2（a）中可看出，样品的电流随着退火温度的升高而变大，并且随着退火温度的增加，样品的电阻开关特性越来越明显. 这应该是由于样品在真空条件较高温度下退火时，在耗尽层中形成越来越多的氧空位，氧空位的增加会导致电阻开关效应的增强.

3 结论

本文利用高真空磁控溅射系统在单晶p型Si片上生长了BiFeO3/C/Ag薄膜，研究了器件的电阻开关特性. 实验结果表明，样品的电流随着退火温度的升高而变大，并且随着退火温度的升高，器件表现出越来越明显的电阻开关效应. 这种材料很可能会应用于下一代非易失性存储器.

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