金属掺杂改善HfO2阻变存储器(RRAM)氧空位导电细丝性能

本研究采用金属掺杂的方式调控氧空位导电细丝的电子结构以获得更好的器件性能.计算了HfO2体系中四组氧空位的形成能,得到VO4-VO23-VO34-VO46最易形成的氧空位簇;分波电荷态密度进一步表明在[010]晶向上电荷聚集形成导电通道.另外,研究了Ag、Mg、Ni、Cu、Al、Ta、Ti掺杂对该缺陷体系电子结构的影响,显示Ni与其它金属相比,在共缺陷体系中最易形成,体系最稳定;VO-Ni共缺陷体系中导电细丝最均匀,最高等势面值最大,证明导电细丝最易形成;VO-Ni之间相互作用能为-2.335 eV,表明缺陷相互吸引;金属Ni具有很强的局域电子能力.     

TiO_2薄膜元件阻变机理的模拟研究

基于密度泛函理论采用第一性原理对Ti8O16、Ti8O15和Ti8O14三种晶体结构进行电子结构的模拟计算。通过模拟结果的分析推断氧空位的作用:氧空位含量较少时,起捕获电子的作用;氧空位含量较多时,起构成导电细丝的作用;可得出Ti O2阻变机理受导电细丝理论和空间电流限制电荷效应控制的推论。参考模拟计算的结果,通过选择不同的反应磁控溅射镀膜工艺,控制薄膜钛氧比进而改变氧空位含量,可获得低阻态受氧空位导电细丝控制的阻变介质层。采用反应磁控溅射法制备以Ti O2薄膜为阻变层的阻变元件并研究其阻变机理,需要大量的实验以优化镀膜工艺参数,而采用计算模拟的方法探讨阻变机理则可以节约材料和时间成本。     

Co掺杂钙钛矿SrTiO3磁性机理的理论研究

采用第一性原理LDA+U方法研究了Co掺杂SrTiO3的磁性机理,对不同掺杂体系的基态能量、电子结构、态密度、居里温度及缺陷替位能进行了计算分析。结果表明,无氧空位的掺杂体系呈现出反铁磁性或顺磁性,而有氧空位掺杂体系却表现出铁磁性;掺杂体系的晶胞磁矩主要来自于Co离子局域磁矩的贡献;随着Co和氧空位浓度的增加,掺杂体系表现出室温铁磁性;Co离子和氧空位的共同作用降低了体系的缺陷替位能;掺杂体系中Co离子之间的铁磁性耦合可以用束缚磁极子机制解释。     

铋掺杂对SrTiO3薄膜微观结构及阻变行为的影响

采用溶胶-凝胶及快速退火工艺在p+-Si上制备了Bi掺杂SrTiO_3薄膜,构建了Ag/Sr_(1-x)Bi_xTiO_3/p+-Si结构阻变器件,研究了Bi掺杂量对薄膜微观结构、器件阻变行为及特性的影响。结果表明:Bi掺杂量较低时并未改变Sr_(1-x)Bi_xTiO_3薄膜的相结构,但随着掺杂比例的增大,晶粒尺寸也明显增大,当掺杂量x=0.16时,有Bi4SrTi4O15及TiO2相形成;不同Bi掺杂量的Ag/Sr_(1-x)Bi_xTiO_3/p+-Si器件均呈现出双极性阻变特性,且有明显的多级阻变行为。随Bi掺杂量的增加,器件的阻变性能逐步提高,当x=0.12时器件的高、低阻态电阻比值最大,达到105左右,并且在2 000次可逆循环测试下,高、低阻态电阻比未出现衰减,表现出良好的抗疲劳特性,但当掺杂量x达到或超过0.16后,器件的性能呈下降趋势。Bi掺杂量的增大会导致器件高阻态时的导电机制从空间电荷效应(SCLC)导电机制(x0.16)转变为肖特基势垒发射(x=0.16)。器件在低阻态下均遵循欧姆导电机制。     

Fe掺杂空位缺陷碳纳米管吸附SO_2分子:第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了本征碳纳米管、空位缺陷碳纳米管和Fe掺杂空位缺陷碳纳米管对SO_2分子的吸附性能。对几何结构、吸附能、电荷转移及电荷密度的分析结果显示,空位缺陷碳纳米管对SO_2分子的吸附作用稍强于本征碳纳米管,但与SO_2分子仍未形成化学吸附;掺杂Fe原子后,空位缺陷碳纳米管与SO_2分子间的吸附距离变小,吸附能和电荷转移量增加,二者间形成化学吸附,且碳纳米管对SO_2分子S原子端的吸附效果优于O原子端。能带和态密度分析发现,掺杂Fe原子提高了碳纳米管的费米能级,使带隙变窄,电导率增大;Fe原子与SO_2分子的态密度在费米能级处有明显的提升且二者发生强烈耦合,增强了碳纳米管与SO_2分子间的吸附作用。     

氧化铁忆阻器中缺陷态诱导的模拟型阻变及突触双脉冲易化特性

模拟型阻变突触特性能够为神经形态计算提供高的计算精度并避免计算过程中带来的电导卡滞、跃变以及失效等问题。模拟生物突触在刺激脉冲下的行为,能够更好地揭示电子器件的仿生特性机理并为高性能神经形态计算提供支撑。突触双脉冲易化是生物突触的重要特性,反映了在外界刺激作用下的易化和适应性过程,对揭示神经元的工作机制至关重要。为了构建突触双脉冲易化的模拟型忆阻器件,本研究通过器件的能带结构设计及氧空位缺陷态的调控,利用射频磁控溅射法制备了一种结构为Ag/FeOx/ITO的忆阻器。电学测试结果表明,该器件具有优异的渐进递增的非线性阻变特性,即模拟型阻变特性。在I-V循环扫描3000次范围内,这种器件均表现出模拟型阻变特性,可提供稳定的、可分离的16个电导状态,且在104 s内维持良好,说明这些电导状态是非易失性的,这主要归功于电子在氧空位缺陷态中的捕获与去捕获以及在势垒间隧穿行为。但是,在低电场强度情况下,捕获的热电子有可能会跃迁出浅陷阱能级,而呈现出易失性。根据这种器件的易失性和非易失性共存特性,通过调制电压脉冲宽度、幅度,器件能够表现出很好的突触双脉冲易化特性,显示出该类型器件在神经形态计算中的潜...     

第一原理研究LuPO4中氧空位的性质

磷酸结构的晶体在掺杂二价阳离子后容易形成产生焦磷酸结构(P₂O₇) ^4-, 这种含有焦磷酸结构的氧化物材料十分适合做质子导体、燃料电池、气体传感器以及陶瓷膜等。本文利用第一性原理研究了LuPO₄晶体中氧空位的结构性质, 结果显示当氧空位带二价正电时, 会引发氧空位周围原子奇特的畸变, 形成焦磷酸结构。为了解释这种结构畸变的机理, 本文利用过渡态搜索计算了结构变化过程中势能面的变化情况, 正一价氧空位形成焦磷酸 结构需要越过2.4 eV的势垒, 而正二价氧空位形成焦磷酸结构则不需要越过任何势垒, 因此很容易形成焦磷酸 结构。最后给出氧空位不同带电态的晶格结构、电子态密度以及电荷密度分布等基本物理性质, 氧空位处于正二价态结构下, 氧空位附近的P原子与O原子成键, 又由于O原子有较强的电负性, P的s轨道电子向O的p轨道转 移。P的s、p轨道在禁带中出现了与总态密度对应的缺陷能级, 结果表明带正二价氧空位的晶体性质发生了明显变化。     

SrTiO3材料中氧空位的密度泛函理论

计算了SrTiO3-δ（δ=0，δ=0．125）体系电子结构，分析了氧空位对SrTiO3晶体的价键结构、能带、态密度、分波态密度、差分电荷密度的影响。所有计算都是基于密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理平面波超软赝势方法。计算结果表明：当氧空位浓度δ=0．125时，空位在母体化合物SrTiO3中引入了大量的传导电子，费米能级进入导带，体系显示金属型导电性。由于空位掺杂，导带底附近的态密度发生了畸变，刚性能带模型不再适合描述SrTiO2.875体系。同时，在导带底附近距离费米能级0．3eV处引入了空位能级，这和实验测得的SrTiO3材料内中性氧空位的电离能约为0．4eV相符。此外，Mulliken布局分析、分波态密度和差分电荷密度分析表明，该空位能级主要由与其最近邻的两个Ti原子的3d电子态贡献，并且由该空位引入的导电电子大部分都局域在空位最近邻的两个Ti原子周围。最后，计算了三种典型平衡条件下SrTiO3晶体内中性氧空位的形成能。     

ZrO_2纳米粒子薄膜阻变特性研究

用水热法制备了ZrO_2纳米粒子,结构通过XRD表征,利用GaIn上电极对旋涂于ITO基底上薄膜进行伏安特性测试。结果表明,ZrO_2纳米粒子为微晶单斜相,随水热温度增加,结晶度增强。器件具有双极阻变特性,开关比随水热温度增加而减小,阈值电压则近乎线性增加。样品低阻态输运为欧姆特性,而高阻态符合空间电荷限制导电机制,阻变机理为氧空位导电细丝的形成与断裂。     

ZrO_2-CuO复合纳米粒子薄膜阻变特性研究

利用水热法在180℃下制备ZrO_2-CuO复合纳米粒子(ZrCu),XRD测试表明随CuO含量增加,样品的结晶性变好。在ITO基片上旋涂制膜,通过GaIn微滴技术测试伏安特性,研究了复合比对ZrCu薄膜电学特性的影响。结果发现,ZrCu有良好可重复的双极阻变特性,随CuO含量增加,阈值电压降低,开关比降低。ZrCu低阻态符合欧姆特性,高阻态为空间电荷限制导电机制,阻变机理为氧空位细丝的形成与断裂。第一性原理计算结果与实验观察一致。     

氧化镍溶胶-凝胶薄膜阻变特性研究

用溶胶-凝胶法在1TO基片上旋涂制备了NiO薄膜,通过对ITO/NiO薄膜/GaIn器件进行伏安特性测试,研究了溶胶浓度、退火、层数以及Cu掺杂等对其电学特性的影响.结果表明:所制备NiO薄膜具有良好可重复双极电阻开关特性.其中,2％Cu掺杂0.2 mol/L溶胶、双层、400℃退火1h制备的薄膜,阈值电压较低,约0.8 V;而开关比受以上因素影响不明显,约3× 102.分析发现薄膜高阻态的荷电输运符合空间电荷限制导电机制,而低阻态为欧姆特性,阻变开关机理为阈值电场及焦耳热导致的氧空位细丝的形成与断裂.     

(Zr1-xMx)O2陶瓷的电导性能研究

本文利用量子化学理论方法研究了含有不同金属（Ｍ＝Ｙ，Ｍｇ和Ａｌ）掺杂的ＺｒＯ２陶瓷体系的电子能谱和不同原子的局域态密度，并结合实验分析探讨了掺杂下的电子导电和离子导电行为，研究表明，Ａｌ掺杂体系费米能级附近的能隙较小，因而其电子导电能力强；而Ａｌ与Ｏ的结合较强，使Ｏ空位形成能加大，表现出其离子导电性弱，而Ｙ掺杂与Ａｌ掺杂的情形相反，Ｙ掺杂导致了较强的离子导电性，但电子导电性较弱，Ｍｇ掺要的影响介于     

Mo掺杂对γ-TiAl基合金能量稳定性和抗氧化性的影响

γ-TiAl基合金是一类具有广阔应用前景的高温结构材料,改善其高温抗氧化性能是当前研究的热点之一.以第一性原理计算为基础,研究了Mo含量小于9.26％(原子分数)的20种γ-TiAl基合金体系的几何性质、密度、原子平均形成能、间隙O原子的形成能、Al空位和Ti空位的形成能.结果显示:各种Mo替位掺杂γ-TiAl基合金体系的密度升高,但均小于4.5 g·cm-3,仍具有替代传统镍基合金的密度优势.各个掺杂体系的总能量和原子平均形成能均小于零,显示它们具有良好的能量稳定性,据此预测它们可以由实验制备.随Mo含量的升高,掺杂体系的稳定性逐渐降低.通过对Mo掺杂γ-TiAl体系的O原子形成能差值ΔEf(O)、Al空位与Ti空位形成能差值ΔEV的计算和分析揭示,当Mo含量为4.0％ ～7.4％时,阻碍间隙O原子扩散的势垒增大,Al空位扩散的能力得以提升且Ti空位扩散的能力被抑制.这对在γ-TiAl基体表面生成α-Al2 O3占主导地位的连续致密氧化膜有重要作用,为研发抗氧化性能优良的新材料提供了理论依据.     

L10-TiAl基本物性的计算与比较研究

为了从理论上进一步揭示L10型TiAl金属间化合物的本征物性,采用第一原理赝势平面波方法,计算了L10型TiAl金属间化合物的平衡晶格常数、合金结合能、形成热、弹性常数以及点缺陷形成能,并与其他计算方法和实验测试的结果进行了比较.点缺陷形成能的分析结果表明,富Ti合金易出现Ti反位缺陷,富Al合金易出现Al反位缺陷;双空位形成能的分析结果表明,Ti-Ti最近邻双空位形成能最低,表明这种Ti-Ti最近邻双空位最稳定.基于晶体总电子态密度与各原子分波态密度等电子结构信息,对上述计算结果进行了初步分析.     

Cu/TiO_2/ITO薄膜元件阻变性能与机理研究

以磁控溅射方法沉积TiO2薄膜和Cu上电极层,制备Cu/TiO2/ITO阻变存储器元件。采用原子力显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪对薄膜材料进行性能表征,测试结果表明:TiO2薄膜表面平整、致密;结构以非晶为主,仅有少量金红石相TiO2(110)面结晶;钛氧比为1:1.92(at%),说明薄膜内部存在少量氧空位。在阻变性能测试中,元件呈现双极阻变现象,阻变窗口值稳定,数据保持特性良好,但未出现Forming过程。通过对阻变元件I-V曲线线性拟合结果的分析,得出阻变机理由导电细丝理论和普尔-法兰克效应共同控制。进一步分析发现,被氧化的Cu离子在偏压作用下很容易在TiO2薄膜内迁移并形成直径较大且较为稳定的导电细丝。     

氧空位和B离子共掺杂TiO_2催化性能的研究

采用密度泛函理论的第一性原理方法,对氧空位V_O和B离子单掺杂、共掺杂锐钛矿相TiO_2的电荷布居、态密度、可见光吸收光谱等问题进行了对比分析。结果表明:氧空位V_O与掺杂B离子协同作用,使更多的Ti原子失电子能力下降,Ti~(4+)减少而更多低价位的Ti~(3+)出现,有利于减少光生电子-空穴的复合。掺杂形成n型简并半导体,根据对吸收光谱的分析,共掺杂能够提高波长较长(570nm,2.11eV)的可见光吸收效率。因此,共掺杂不仅能提高可见光吸收效率,而且能减弱光生电子-空穴的复合,更有利于提高晶体光催化性能。     

Zn0．9O1-xCo0．1体系磁性和电子结构研究

在第一性原理框架理论下应用KKR-CPA-LDA方法计算了Zn0.9O1-xCo0.1体系(x=0～10%)下的电子结构、磁矩分布和3种不同的状态下的能量.结果表明:(1)在不同的氧空位缺陷的条件下,材料都显示半金属特性;(2)随着氧空位缺陷的增加,掺杂体系的能量逐渐升高,稳定性逐渐变弱,说明了基态条件下,Zn0.9O1-xCo0.1掺杂体系中的氧空位缺陷是不容易形成的,这个和文献报道的是一致的;(3)根据计算结果可以推断,在Zn0.9O1-xCo0.1体系中,磁性原子的磁矩随着氧空位缺陷的增加,体系的饱和磁化强度降低,符合双交换理论.     

焙烧温度对NiO薄膜阻变特性的影响

利用水热法制备了NiO纳米粒子,基于GaIn/NiO/ITO器件结构,研究了焙烧温度对NiO纳米粒子薄膜阻变特性的影响。XRD分析发现,随焙烧温度由400至900℃,NiO纳米粒子结晶性提高,逐渐显立方相,粒子分散性变好。电学测试表明,NiO纳米粒子薄膜具有可重复双极阻变特性,开电压约-1.3 V较稳定。随焙烧温度提高,器件开关比由1407急剧降至11左右,原因是纳米粒子结晶后,其晶界势垒减小,载流子迁移率增大,致开关性变差。伏安特性曲线分析发现,纳米粒子薄膜低阻态荷电输运为欧姆特性,高阻态符合肖特基发射,判断阻变机理为阈值电场及焦耳热导致的氧空位细丝的形成与断裂。     

Mn掺杂单空位缺陷碳纳米管吸附NH3分子的第一性原理研究北大核心CSCD

研究本征碳纳米管、单空位缺陷碳纳米管、Mn掺杂碳纳米管和Mn掺杂单空位缺陷碳纳米管对NH3分子的吸附效果。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对各个模型的吸附能、吸附距离、电荷转移量、电子密度等的分析后发现:单空位缺陷有利于提高碳纳米管对NH3分子的吸附效果,但碳纳米管未能与NH3分子形成化学吸附;掺杂Mn原子能大大提高单空位缺陷碳纳米管与NH3间的吸附能和电荷转移量,同时减小其吸附距离,说明Mn原子掺杂的单空位缺陷碳纳米管能够对NH3分子产生化学吸附。Mn原子掺杂单空位缺陷碳纳米管作为NH3气敏材料值得后续深入研究。     

不同价态的Mn和点空位对ZnO体系光学性能的影响

目前,因为实验上点空位的精确测量调控对ZnO:Mn体系物理性质的影响具有挑战性,而第一性原理解决此问题有一定的优势,所以用第一性原理研究了Mn2+/3+/4+掺杂和氧空位或锌空位(VO/VZn)对ZnO的结构稳定性、电子结构和光学性质的影响.研究结果显示,所有体系在富氧条件下的形成能比富锌条件下的形成能低,说明ZnO:Mn在富氧条件下容易形成稳定结构.在Mn2+掺杂的含VO/VZn的ZnO体系中,VO价态越低,体系形成能越低,结构越稳定;而对于VZn价态则相反.在Mn2+/3+/4+掺杂的含中性空位(VO 0/VZn 0)的ZnO中,Mn的价态越高,体系形成能越低,结构越稳定.Mn2+掺杂的含VO 0/VZn 0的ZnO体系的光学带隙变窄,在可见光范围内吸收光谱红移.其中,VO 0杂质能级和费米能级部分重叠形成陷阱效应,更有利于产生电子?空穴对.此外,含VO 0体系在360～509 nm内的吸收强度最大,而含VZn 0体系在509～760 nm范围内的吸收强度最大.ZnO:Mn体系对可见光的响应主要由Mn、Zn和O离子之间的sp?d相互作用和Mn掺杂、VO 0/VZn 0引导的体系自旋极化引起.因此,含VO 0/VZn 0的ZnO:Mn体系是有较好应用前景的光催化材料.