[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究展示了在纳米尺度垂直取向的La0.75Sr0.25MnO3（LSMO）/LSMO隧道结中，通过电场控制的Jahn-Teller效应诱导出忆阻器行为，该效应触发轨道重构并形成一种亚稳态、低电阻的相。关键结果是在约1 MV/cm的电场下实现高电阻态（HRS）与低电阻态（LRS）之间的双极性滞回开关，且在更高电场下由于Jahn-Teller系统弹性能的第二个极小值，观察到额外的再入式LRS-HRS转变。

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.

研究动机与目标

• 研究纳米尺度垂直LSMO/LSMO隧道结中的忆阻器行为。
• 确定锰氧化物异质结构中电阻开关行为的起源。
• 探讨关联极化子与Jahn-Teller畸变在电子电阻开关中的作用。
• 识别在高场下观察到的再入式电阻开关行为背后的机制。

提出的方法

• 制备具有垂直LSMO(111)/LSMO(111)异质结构的纳米柱状锰氧化物（LSMO）薄膜。
• 施加电场以诱导电阻开关并测量电流-电压（I-V）特性。
• 利用非线性I-V曲线和滞回响应分析开关行为。
• 通过电子显微镜和晶体学分析（例如，G. Van Tendeloo）研究界面电子结构。
• 对Jahn-Teller效应和弹性能势垒进行建模，以解释系统能量分布中的双极小值。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米尺度LSMO/LSMO隧道结中的电阻开关由什么引起？
• RQ2 电场如何影响亚稳态低电阻态的形成？
• RQ3 Jahn-Teller效应和轨道重构在开关机制中起什么作用？
• RQ4 为何在更高电场下会出现第二个再入式电阻开关？
• RQ5 电子（极化子）机制与Ti-O体系中基于离子迁移的忆阻器行为有何不同？

主要发现

• 在约1 MV/cm的外加电场下发生电阻开关，电阻从高阻态（HRS）转变为低阻态（LRS）。
• 开关行为具有滞回特性，并表现出非线性的电流-电压特性，证实了忆阻行为。
• LRS态源于电场诱导的Jahn-Teller畸变、轨道重构以及亚稳态、轨道无序的界面相的形成。
• 在更高电场下观察到第二个电阻开关转变（再入式LRS到HRS），这是由于Jahn-Teller系统的弹性能出现第二个极小值所致。
• 忆阻器效应源于电子（极化子）机制，与TiO2基忆阻器中的离子迁移机制截然不同。
• 界面LSMO层承载了大部分电场，驱动极化子和结构相变。