[论文解读] Leakage-free electrolytes with different conductivity for non-volatile memory device utilizing insulator/metal ferromagnet transition of SrCoOx

Takayoshi Katase, Yuki Suzuki+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2017

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 30被引用 5

一句话总结

本研究证明，具有可调离子电导率的无泄漏电解质可实现SrCoOx基非易失性存储器的高效电化学切换。通过使用纳米多孔a-12CaO·7Al2O3和纳米柱状a-Na_xTaO3薄膜作为电解质，作者表明，更高的离子电导率（最高达2.5×10⁻⁶ S cm⁻¹）可将所需栅压降低至−3 V，并将切换时间减少两个数量级，证明在铁磁绝缘体-金属体系中相变的速率控制步骤是电解质中的离子迁移。

ABSTRACT

The electrochemical switching of SrCoOx-based non-volatile memory with thin-film-transistor structure was examined by using liquid-leakage-free electrolytes with different conductivity (s) as the gate insulator. We first examined leakage-free water, which is incorporated in the amorphous (a-) 12CaO 7Al2O3 film with nanoporous structure (CAN), but the electrochemical oxidation/reduction of SrCoOx layer required the application of high gate voltage (Vg) up to 20 V for a very long retention-time (t) 40 minutes, primarily due to the low s (2.0 x 10-8 S cm-1 at RT) of leakage-free water.We then controlled the s of leakage-free electrolyte, infiltrated in the a-NaxTaO3 film with nanopillar array structure, from 8.0 x 10-8 S cm-1 to 2.5 x 10-6 S cm-1 at RT by changing the x = 0.01-1.0. As the result, the t, required for the metallization of SrCoOx layer under small Vg = -3 V, becomes two orders of magnitude shorter with increase of the s of the a-NaxTaO3 leakage-free electrolyte. These results indicate that the ion migration in the leakage-free electrolyte is the rate-determining step for the electrochemical switching, compared to the other electrochemical process, and the high s of the leakage-free electrolyte is the key factor for the development of the non-volatile SrCoOx-based electro-magnetic phase switching device.

研究动机与目标

• 开发基于SrCoOx薄膜绝缘体-金属转变及铁磁性转变的非易失性存储器器件。
• 克服以往基于电解质器件中高栅压和长切换时间的限制。
• 研究无泄漏电解质中离子电导率对电化学切换效率的影响。
• 证明电解质中的离子迁移是SrCoOx电化学切换过程中速率控制步骤。

提出的方法

• 使用具有纳米多孔结构的非晶12CaO·7Al2O3（CAN）作为无泄漏电解质，以限制水分而不发生离子泄漏。
• 通过调节x值（0.01–1.0），将钠掺杂钽酸盐（a-Na_xTaO3）的纳米柱阵列的离子电导率从8.0×10⁻⁸调节至2.5×10⁻⁶ S cm⁻¹。
• 制备以SrCoOx为活性沟道、电解质为栅氧化层的薄膜晶体管（TFT）结构。
• 施加−3 V至−20 V范围的栅压，以诱导SrCoOx的电化学氧化/还原反应。
• 在不同离子电导率下测量切换时间（t）和保持时间，以评估性能。
• 将电解质的离子电导率（σ）与切换速度及所需栅压相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 无泄漏电解质的离子电导率如何影响SrCoOx基非易失性存储器的切换速度？
• RQ2 在无泄漏电解质中，是否可通过高离子电导率实现低栅压（如−3 V）的应用？
• RQ3 电解质中的离子迁移是否为SrCoOx电化学切换过程中的速率控制步骤？
• RQ4 电解质结构（纳米多孔与纳米柱）与离子输运效率之间存在何种关系？
• RQ5 通过优化电解质电导率，是否可在缩短切换时间的同时保持保持时间？

主要发现

• 使用含水的无泄漏a-12CaO·7Al2O3电解质（离子电导率低至2.0×10⁻⁸ S cm⁻¹）时，切换需高达20 V栅压，且保持时间达40分钟。
• 将a-Na_xTaO3电解质的离子电导率从8.0×10⁻⁸提升至2.5×10⁻⁶ S cm⁻¹后，在−3 V栅压下，所需切换时间减少了两个数量级。
• 在−3 V电压下，随着离子电导率提高，切换时间显著缩短，表明电解质中的离子输运限制了切换速度。
• 电解质的离子电导率是控制切换动力学的主导因素，而非SrCoOx界面处的电化学反应。
• 结果证实，离子通过无泄漏电解质的迁移是电化学切换过程中的速率控制步骤。
• 在无泄漏电解质中实现高离子电导率，可实现低电压、快速且稳定的SrCoOx基非易失性切换。