[论文解读] Resistive Switching and Current Conduction Mechanisms in Hexagonal Boron Nitride Threshold Memristors with Nickel Electrodes

Lukas Völkel, Dennis Braun+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2023

Advanced Memory and Neural Computing被引用 6

一句话总结

本研究提出，在多层六方氮化硼（h-BN）中，镍丝在硼缺陷处形成并缩回，是镍/氮化硼/镍阈值忆阻器中阻变机制的根源。通过温度依赖的电流-电压测量和透射电子显微镜（TEM）分析，作者展示了高达10⁷的开/关比、极低的待机电流以及仅5%的循环间可变性，确立了电学表征作为二维忆阻器分析的可靠工具。

ABSTRACT

The two-dimensional (2D) insulating material hexagonal boron nitride (h BN) has attracted much attention as the active medium in memristive devices due to its favorable physical properties, among others, a wide bandgap that enables a large switching window. Metal filament formation is frequently suggested for h-BN devices as the resistive switching (RS) mechanism, usually supported by highly specialized methods like conductive atomic force microscopy (C-AFM) or transmission electron microscopy (TEM). Here, we investigate the switching of multilayer hexagonal boron nitride (h-BN) threshold memristors with two nickel (Ni) electrodes through their current conduction mechanisms. Both the high and the low resistance states are analyzed through temperature-dependent current-voltage measurements. We propose the formation and retraction of nickel filaments along boron defects in the h-BN film as the resistive switching mechanism. We corroborate our electrical data with TEM analyses to establish temperature-dependent current-voltage measurements as a valuable tool for the analysis of resistive switching phenomena in memristors made of 2D materials. Our memristors exhibit a wide and tunable current operation range and low stand-by currents, in line with the state of the art in h-BN-based threshold switches, a low cycle-to-cycle variability of 5%, and a large On/Off ratio of 10${^7}$.

研究动机与目标

• 确定具有镍电极的多层六方氮化硼（h-BN）阈值忆阻器中的阻变机制。
• 理解基于h-BN的忆阻器在高阻态和低阻态下的电流传导机制。
• 验证温度依赖的电流-电压测量作为二维材料中阻变行为诊断工具的可靠性。
• 结合透射电子显微镜（TEM）分析，将电学行为与微观结构特征相关联。
• 评估器件性能指标，如开/关比、待机电流及循环间可变性。

提出的方法

• 对Ni/h-BN/Ni忆阻器器件进行温度依赖的电流-电压（I-V）测量，以分析高阻态和低阻态下的传导机制。
• 利用透射电子显微镜（TEM）直接观察h-BN层中硼缺陷位点处镍丝的形成与缩回过程。
• 结合电学数据与TEM结果，将阻变行为与微观结构特征相关联。
• 采用双端器件结构并使用镍电极，以实现阈值切换行为。
• 在多个器件上测量关键性能指标，包括开/关比、待机电流及循环间可变性。
• 应用阿伦尼乌斯模型，从温度依赖的I-V数据中提取活化能，以识别传导机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有镍电极的多层h-BN忆阻器中，主导的阻变机制是什么？
• RQ2 基于h-BN的忆阻器在高阻态与低阻态下的电流传导机制有何差异？
• RQ3 温度依赖的I-V测量在多大程度上可作为二维材料中阻变行为的可靠诊断工具？
• RQ4 镍丝在h-BN晶格的原子缺陷处何处形成并缩回？
• RQ5 Ni/h-BN/Ni阈值忆阻器的关键性能指标（如开/关比、待机电流及可变性）是什么？

主要发现

• Ni/h-BN/Ni忆阻器的阻变机制归因于h-BN层中沿硼空位的镍丝形成与缩回。
• 温度依赖的I-V测量揭示了高阻态与低阻态下不同的传导机制，其活化能与热激活传输一致。
• 器件表现出高达10⁷的开/关比，表明具有强开关对比度，适用于存储与逻辑应用。
• 待机电流极低，证实了实现低功耗运行所必需的阈值切换行为。
• 循环间可变性低至5%，表明器件具有高度的可重复性与可靠性。
• TEM分析证实镍丝存在于硼缺陷位点，验证了所提出的阻变机制。