저항 스위칭 및 배터리

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14297(2023) 이 기사 인용

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전자빔 증발을 사용하여 바륨-붕규산 유리(7059) 기판 위에 비정질 오산화 탄탈륨(a-Ta2O5) 및 인듐 주석 산화물(a-ITO) 박막을 성장시켜 매우 투명한 저항 스위칭(RS) 장치를 제작했습니다. 이 층은 전체 가시 영역에서 ~ 85% 이상의 투과율을 나타냈으며 RS 동작 및 배터리와 유사한 IV 특성을 보여주었습니다. RS의 전반적인 특성은 상부 전극과 a-Ta2O5의 두께를 사용하여 조정할 수 있습니다. 얇은 필름은 기존의 RS 거동을 보인 반면, 금속 전극이 있는 두꺼운 필름은 배터리와 같은 특성을 보였는데, 이는 추가적인 산화환원 반응과 비 패러데이 용량성 효과로 설명할 수 있습니다. 배터리와 유사한 IV 특성을 갖는 장치는 더 높은 강화, 유지 및 낮은 작동 전류를 나타냈습니다.

투명 저항 스위칭(RS) 장치는 눈에 보이지 않는 회로, 초저전력 전자 장치, 센서 및 투명 전자 장치1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 개발을 위해 상당한 과학적 관심을 끌었습니다. 투명 전도성 산화물(TCO)에 대한 현재 연구에서는 가시광선 스펙트럼에서 높은 전기 전도도와 광학적 투명성 사이의 섬세한 균형이 필요합니다. 더욱이, 다른 정보 처리 및 저장 기능을 수행할 수 있는 다른 회로 요소를 TCO에 내장할 필요가 있습니다. 특히 2단자 RS 장치는 회로 복잡성, 스케일링 및 전력 소비의 근본적인 한계를 극복할 것으로 기대됩니다8,11,12,13,14,15. 일반적인 RS 장치에서 저항은 전기장과 전류의 적용에 따라 가역적이고 비휘발성 방식으로 낮은 저항 상태와 높은 저항 상태 사이에서 변경됩니다. 또한 다중 레벨 RS는 전압, 규정 준수 전류 및 온도를 사용하여 단일 장치에서 안정화될 수 있는 중간 저항 상태(IRS)를 가질 수도 있으며, 이는 고밀도 저장에 중추적인 역할을 할 수 있습니다16,17,18,19 ,20,21,22. 또 다른 관련 행동은 멤리스티브(memristive) 유형으로, 저항 값이 인가된 전압 및 전류의 이력에 따라 지속적으로 수정되어 뇌의 상태를 모방할 수 있으며, 연결이 처리될 때마다 두 뉴런 사이의 전기적 연결이 더 강해집니다. 24,25,26,27. 멤리스틱 및 다단계 전환 특성은 뉴로모픽 컴퓨팅 개발에 필수적입니다. 실제로 동일한 2단자 RS 장치(커패시터 구조)를 활용하여 휴대성과 효율성을 높이기 위해 나노배터리라고도 하는 로컬로 전력을 제공할 수도 있습니다. 하프늄 산화물(a-HfOx), 탄탈륨 산화물(a-TaxOy) 및 이트륨 산화물(a-Y2O3)과 같은 고유전성 금속 산화물은 투명 저항성 랜덤 액세스 메모리(T -RRAM) 및 저온에서 성장할 수 있는 멤리스티브 장치22,30,31,32,33,34,35,36. 다양한 물리 기상 증착 방법으로 성장한 탄탈륨 산화물(a-Ta2O5)은 절연성이 높은 투명 필름을 낮은 온도에서 성장시킬 수 있기 때문에 매우 유망합니다. 따라서 막 두께, 전극 재료, 줄 발열의 역할, 그리고 ITO(인듐 주석 산화물)와 같은 투명 전도성 산화물이 T-RRAM 또는 투명 멤리스터용 탄탈륨 산화물과 효과적으로 통합될 수 있는지 여부를 설명하는 것이 흥미로울 것입니다. 여기서 우리는 일부 중간 두께 체계가 저전력 장치에 중요한 향상된 내구성, 유지 및 극도로 낮은 누설 전류를 갖춘 새로운 종류의 배터리와 유사한 IV 특성을 보여주었다는 것을 발견했습니다. 우리는 NFC(비 패러데이 용량성) 효과가 이러한 동작의 원인일 수 있다고 제안합니다. 반대 내부 필드는 누설 전류를 제한하고 이러한 장치의 작동 전력을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 이 연구는 Ta2O5 기반 멤리스터 및 RS 장치에 나노배터리 개념을 통합할 수 있는 기회를 열어주고 NFC의 기본 메커니즘과 관련된 추가 질문을 제기합니다.