[論文レビュー] Memristor Behaviour in Nano-Sized Vertical Lsmo/Lsmo Tunnel Junctions

V. Moshnyaga, Markus Esseling+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2010

Advanced Memory and Neural Computing被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ナノスケールの垂直型La0.75Sr0.25MnO3 (LSMO)/LSMOトンネル接合において、電場制御型Jahn-Teller効果が誘発する電場誘起メモリスティブ動作を示した。この効果により軌道再構成が引き起こられ、準安定で低抵抗状態が形成される。主な結果として、約1 MV/cmの電場で高抵抗状態（HRS）と低抵抗状態（LRS）の間で双極的ヒステリシススイッチングが観察され、Jahn-Teller系の弾性エネルギーに第二の最小値が存在するため、より高い電場で再びLRSからHRSへの遷移が観察された。

ABSTRACT

We report a memory resistance (memristor) behavior with nonlinear current-voltage characteristics and bipolar hysteretic resistance switching in the nanocolumnar manganite (LSMO) films. The switching from a high (HRS) to a low (LRS) resistance occurs at a bias field ~1 MV/cm. Applied electric field drops mostly at the insulating interfacial LSMO layer and couples to correlated polarons at the LSMO(111)/LSMO(111) vertical interfaces. The observed memristance behaviour has an electronic (polaronic) origin and is caused by an electric-field-controlled Jahn-Teller (JT) effect, followed by the orbital reconstruction and formation of a metastable orbitally disordered interfacial phase (LRS). Compared to the earlier reported ionic memristor in Ti-O films, an electronic (polaronic) nano-sized LSMO memristor shows an additional (re-entrant) LRS-HRS switching at higher fields because of the second minimum in the elastic energy of a JT system.

研究の動機と目的

• ナノスケールの垂直型LSMO/LSMOトンネル接合におけるメモリスティブ動作の調査。
• マンガナイド酸化物ヘテロ構造における抵抗スイッチングの起源の特定。
• 相関したポラロンとJahn-Teller歪みが電子的抵抗スイッチングに果たす役割の解明。
• 高電場下で観察された再入型抵抗スイッチングの背後にあるメカニズムの同定。

提案手法

• 垂直型LSMO(111)/LSMO(111)ヘテロ構造を持つナノストラクトゥラルマンガナイド（LSMO）薄膜の作製。
• 電場を印加して抵抗スイッチングを誘発し、電流-電圧（I-V）特性を測定。
• 非線形I-V曲線とヒステリック応答の分析によりスイッチング挙動を評価。
• 電子線顕微鏡法および結晶構造解析（例：G. Van Tendeloo）を用いた界面電子構造の調査。
• Jahn-Teller効果と弾性エネルギーのエネルギーランドスケープのモデル化により、系のエネルギー分布に二重最小が存在する理由を説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノサイズのLSMO/LSMOトンネル接合における抵抗スイッチングの原因は何か？
• RQ2 電場が準安定低抵抗状態の形成にどのように寄与するか？
• RQ3 Jahn-Teller効果と軌道再構成がスイッチングメカニズムに果たす役割は何か？
• RQ4 なぜより高い電場で第二の再入型抵抗スイッチングが観察されるのか？
• RQ5 Ti-O系におけるイオン移動に基づくメモリスティブ動作とは異なり、電子的（ポラロン的）メカニズムはどのように異なるか？

主な発見

• 印加電場が約1 MV/cmで、高抵抗状態（HRS）から低抵抗状態（LRS）へのスイッチングが観察された。
• スイッチングはヒステリックであり、非線形な電流-電圧特性を示し、メモリスティブ動作の確認が得られた。
• LRS状態は、電場誘起のJahn-Teller歪み、軌道再構成、および準安定で軌道的に不規則な界面相の形成に起因する。
• Jahn-Teller系の弾性エネルギーに第二の最小値が存在するため、より高い電場で再びLRSからHRSへの抵抗スイッチング遷移が観察された。
• メモリスティブ効果は、TiO2系メモリスティブにおけるイオン移動とは異なり、電子的（ポラロン的）な起源である。
• 界面に存在するLSMO層が電場の大部分を負担しており、ポラロン的および構造的遷移を駆動している。