[논문 리뷰] Memristor Behaviour in Nano-Sized Vertical Lsmo/Lsmo Tunnel Junctions

V. Moshnyaga, Markus Esseling외 5명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 02.

Advanced Memory and Neural Computing인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 나노스케일 수직 La0.75Sr0.25MnO3 (LSMO)/LSMO 터널 접합에서 전기장에 의해 유도되는 메모리스터 행동을 입증한다. 이는 필드 제어형 Jahn-Teller 효과에 의해 유도되며, 궤도 재구성과 함께 잠재적 안정 상태인 저저항 상태를 형성한다. 주요 결과는 약 1 MV/cm에서 고저항 상태(HRS)와 저저항 상태(LRS) 사이의 이중성 히스테리시스 스위칭이며, Jahn-Teller 시스템의 탄성 에너지에 두 번째 최소값이 존재함에 따라 고장력에서 재진입형 LRS-HRS 전이가 추가로 관찰된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 수직 LSMO/LSMO 터널 접합에서의 메모리스터 행동을 조사한다.
• 망간산염 기반 산화물 이방성 구조에서 저항 스위칭의 기원을 규명한다.
• 연결된 폴라론과 Jahn-Teller 왜곡이 전자적 저항 스위칭에 미치는 역할을 탐색한다.
• 고장력에서 관찰된 재진입형 저항 스위칭의 메커니즘을 규명한다.

제안 방법

• 수직 LSMO(111)/LSMO(111) 이방성 구조를 가진 나노기둥형 망간산염( LSMO) 필름의 제작.
• 저항 스위칭을 유도하고 전류-전압(I-V) 특성을 측정하기 위해 전기장을 적용한다.
• 비선형 I-V 곡선과 히스테리시스 반응 분석을 통해 스위칭 거동를 분석한다.
• 전자현미경 및 결정학적 분석(예: G. Van Tendeloo)을 통한 인터페이스 전자 구조 조사.
• Jahn-Teller 효과와 탄성 에너지 경로 모델링을 통해 시스템 에너지 프로파일의 이중 최소값을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노 크기의 LSMO/LSMO 터널 접합에서 저항 스위칭은 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 전기장이 잠재적 안정 상태인 저저항 상태 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 Jahn-Teller 효과와 궤도 재구성이 스위칭 메커니즘에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 고장력에서 두 번째 재진입형 저항 스위칭이 발생하는가?
• RQ5 전자기(폴라론 기반) 메커니즘은 Ti-O 시스템에서의 이온 기반 메모리스터 행동과 어떻게 다를까?

주요 결과

• 외부 전기장 약 1 MV/cm에서 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)로의 전이가 발생하며, 저항 스위칭이 발생한다.
• 스위칭은 히스테리시스를 보이며 비선형 전류-전압 특성을 나타내어, 메모리스터 행동을 확인한다.
• LRS 상태는 전기장 유도 Jahn-Teller 왜곡, 궤도 재구성 및 잠재적 안정 상태인 궤도로 불규칙한 인터페이스 상이 형성됨에 의해 발생한다.
• Jahn-Teller 시스템의 탄성 에너지에 두 번째 최소값이 존재함에 따라 고장력에서 재진입형 LRS에서 HRS로의 두 번째 저항 스위칭 전이가 관찰된다.
• 메모리스터 효과는 이온 이동이 아닌 전자기(폴라론 기반) 기원을 가지며, TiO2 기반 메모리스터와는 다릅니다.
• 인터페이스 LSMO 층이 전기장의 대부분을 떠받치며, 폴라론 및 구조 전이를 유도한다.