دانلود رایگان ترجمه مقاله مرور خانواده های مقاومت حافظه‌دار در حال ظهور – اسپرینگر ۲۰۱۵

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

فهرست مقاله:

۲ ممریستور مقاومتی(غیر هادی)
۳ ممریستور پلیمری
۴ ممریستور فروالکتریک
۵ ممریستور مغناطیسی
۶ ممريستور دیودی تونل زنی- رزونانس
۷ ممريستور اسپينترونيك

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

۲ ممریستور مقاومتی(غیر هادی)
قبل از ظهور ممریستور مقاومتی(غیر هادی)، مواد مقاومتی(غیر هادی) به طور گسترده در حافظه های با دسترسی تصادفی مقاومتی(غیر هادی) (ReRAM) استفاده شده بودند [۲۵-۲۷]. عملکرد ذخیره سازی( حافظه ای) ReRAM با یک رفتار فیزیکی ذاتی مشاهده شده در ReRAM یعنی سوئیچینگ مقاومتی(غیر هادی) محقق می شود. به دلیل سوئیچینگ مقاومتی(غیر هادی)، مواد مقاومتی(غیر هادی) می توانند بین یک حالت مقاومت بالا (HRS) و یک حالت مقاومت پائین (LRS) تحت یک یک محرک الکتریکی خارجی سوئیچ شوند. فرآیند سوئیچینگ از HRS به LRS و ولتاژ سوئیچینگ متناظر معمولا فرایند SET و Vset نامیده می شود، در حالی که فرآیند گذار از حالتLRS به HRS و ولتاژ سوئیچینگ مورد نیاز فرآیند به ترتیب باRESET و Vreset نشان داده می شوند. ذکر این نکته نیز مفید است که در بیشتر موارد، در طی فرآیند SETجریان ناشی از محرک خارجی به یک ناحیه محلی با رسانایی بالا محدود می شود، در حالی که در طی فرآیند RESETاین جریان به طور یکنواخت از ReRAM عبور می کند [۲۸]. این نکته هم باید گفته شود که در مواد مقاومتی(غیر هادی) برق فشار قوی، مانند برخی اکسیدهای فلزات واسطه، معمولا دو مود سوئیچینگ وجود دارد؛ یعنی سوئیچینگ تک قطبی و سوئیچینگ دو قطبی، همان طور که در شکل ۳ نشان داده شده است.
سوئیچینگ تک قطبی امکان یک فرایند سوییچینگی را می دهد که مستقل از مستقل از پلاریته ولتاژ/جریان است بنابراین، فرآیند SET و RESET با پلاریته سیگنال مشابه حاصل می شود. با این وجود، مود سوئیچینگ دوقطبی منجر به پلاریته سیگنال مخالف بین فرآیند SET و RESET می شود. مقایسه بین شکل ۲ و ۳، به طور واضح نشان می دهد که مواد مقاومتی(غیر هادی) زمانی که در مود دوقطبی عمل می کنند یک منحنی I-V مشابه با منحنی ممریستور تئوری فراهم می کنند. به همین دلیل، تلاش های تحقیقاتی قابل توجهی اخیرا به توسعه ممریستورها مبتنی بر مواد مقاومتی(غیر هادی) مانند TiO2 [9و۱۱و۲۹]، ZnO و TaOx [31و۳۲]، اختصاص یافته اند که منجر به پیدایش برخی از نمونه های ممریستوراولیه مبتنی بر مواد مقاومتی(غیر هادی) شده است.
ساختار ممریستور مبتنی بر مواد مقاومتی(غیر هادی) معمولا شامل یک عایق محصورشده با دوفلزاست ، که موسوم به MIM نیز می باشد، و در شکل ۴ نشان داده شده است.
با تغییر دامنه و پلاریته سیگنال اعمال شده به فلزات (در اینجا یعنی الکترودها)، عایق محصورشده می تواند بین حالت ON و OFFجابجا شود به نحوی که عملکرد ممریستوری را محقق نماید. اگرچه چنین پدیده گذار مقاومتی(غیر هادی) به مدت چندین سال است که کشف شده است، مکانیزم فیزیکی مرتبط با آن هنوز به طور مناسبی درک نشده است. امروزه، اثر سوئیچینگ مقاومتی(غیر هادی) القاشده پالس الکتریکی (EPRI) عمومی ترین مکانیزم پذیرفته شده است. جذاب ترین ویژگی EPRI مربوط به وابستگی قوی آن به جهت میدان می باشد، که نشان دهنده این است که مقاومت سیستم می تواند با پالس ولتاژ یا جریان به کار رفته برای تولید پسماند I-Vجابجا شود که عملکرد حافظه مقاومتیرا تغذیه می نماید.
اگرچه راز پنهان در EPRI همچنان کشف نشده است، اتفاق نظر در این رابطه وجود دارد که اثر EPRI موجب تشکیل و پارگی یک رشته رسانا (CF) داخل ماده مقاومتی(غیر هادی) خواهد شد [۳۳]. اثر ترموشیمیایی به عنوان یکی از موجه ترین دلایل برای فرضیه CF تلقی شده است [۳۴-۳۶]. مکانیزم ترموشیمیایی فرض می کند که تعداد زیادی از یون های O2- اطراف الکترود جمع می شود، بنابراین منجر به شکل گیری حفرههایاکسیژن می شود. با اعمال یک بایاس منفی به الکترود بالایی، یون های O2از الکترود بالایی رانده می شوند در حالی که حفره های اکسیژنی به سمت آن جذب می شوند. در این حالت، ناخالصی های حفره ای می توانند در میدان الکتریکی از مطلوب ترین مسیرهای نفوذ مانند مرزدانه ها رانده شوند تا یک مسیر رشته ای-مانند با رسانایی الکتریکی بالا را شکل دهند [۳۷]. یکبار که CFها شکل گرفتند، شریان جریان که می توانست بر روی رشته های منتجه متمرکز شود می تواند به واسطه حرارت محلی ناشی از جریان شریان یافته متمرکز، موجب یک رشد سریع این رشته ها شود که متناظر با فرآبند SET است. فرآیند RESET فرض می شود که با پارگی حرارتی رشته ها براساس حرارت تولید شده در حضور یک جریان عبوری بزرگ محقق می شود.

بر عکس اثر ترموشیمایی، تعبیر دیگر مربوط به رویداد CFبه حرکت یون های اکسیژن می باشد که معمولا نزدیک عیوب (نواقص) شبکه های کریستالی مثل حفره های اکسیژنی و مرز دانه ها ظاهر می شود [۲۸و۳۸و۳۹]. همان طور که در شکل ۵الف نشان داده شده است، اعمال یک بایاس مثبت به الکترود بالایی می تواند موجب رانده شدن یون های اکسیژنی به سمت الکترود بالایی شود که در نتیجه یون های اکسیژنی در آنجا تجمع خواهند داشت.این حرکت یونی می تواند موجب ایجاد حفره های کاتیونی فراوانی شود، همان طور که در شکل ۵ب نشان داده شده است. از آنجا که حفره های کاتیونی که می توانند یک سطح پذیرش نزدیک باند ظرفیت ایجاد کنند، منبع حامل های حفره ای در نیمه هادی ها هستند، ممکن خواهد بود تا این حفره های کاتیونی به تازگی ایجاد شده به هسته نیمه هادی CFها منتقل شود. در نتیجه این هسته ها باکمک میدان الکتریکی رشد خواهند داشت تا یک CF توسعه دهنده کل ضخامت متوسط ذخیره سازی را تشکیل دهند (شکل ۵ج)، و در نهایت سلول حافظه می تواند به LRS برسد. به دلیل این حقیقت که CF واقعا از یک آند به کاتد رشد پیدا می کند، نازک ترین ناحیه CFانتظار می رود که نزدیکی کاتد جای داشته باشد [۲۸]. به عنوان یک نتیجه، حرارت ژولی بیشتری در بخش نازک تر CF جمع خواهد شد زمانی که الکترود بالایی به صورت منفی بایاس شود. تحت این شرایط، یون های اکسیژن در نازک ترین بخش CF به طور شدید به سمت الکترود پائینی شتاب می گیرد و سپس در واسط الکترودی ذخیره سازی میانی/زیرین یا در مرزدانه الکترود زیرین به دام می افتد. این حرکت می تواند تمرکز حفره های کاتیونی در نازک ترین بخش CF را تخریب نماید و بنابراین منجر به پارگی CF گردد، همان طور که در شکل ۵د نشان داده شده است. سلول حافظه متعاقبا به حالت HRS سوئیچ خواهد شد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

۲ Resistive memristor

Before the advent of the resistive memristor, resistive materials have already been widely utilized in the resistive random access memories (ReRAM) [25–۲۷]. The storage function of ReRAM is realised by an intrinsic physical behaviour observed in ReRAM, namely resistive switching. Because of the resistive switching, the resistive material can be switched between a high resistance state (HRS) and a low resistance state (LRS) under an external electrical stimuli. The switching process from HRS to LRS and the corresponding switching voltage are usually named ‘SET’ process and VSET, while the process from LRS to HRS and the required switching voltage are represented by ‘RESET’ process and VRESET. It is instructive to mention that in most cases, the current stemming from the external stimuli is restricted to a local region with high conductance during ‘SET’ process, whereas it flows uniformly through ReRAM during ‘RESET’ process [28]. It should be also noted that in bistable resistive materials, like some transition metal oxides, there are usually two switching modes, i.e., unipolar switching and bipolar switching, as shown in Fig. 3. Unipolar switching allows for a switching process that is independent of the voltage/current polarity. Therefore, the ‘SET’ process and the ‘RESET’ process is achieved with the same signal polarity. However, the bipolar switching mode gives rise to an opposite signal polarity between the ‘SET’ process and the ‘RESET’ process. The comparison between Figs. 2, 3 clearly shows that the resistive material when operated in the bipolar switching mode exhibits an analogous I–V curve to that of the theoretical memristor. As a consequence, considerable research efforts have been recently dedicated to the development of the memristor using resistive materials such as TiO2 [9, 11, 29], ZnO [30], and TaOx [31, 32], thus triggering a presence of some resistive materials-based memristor prototypes. The architecture of the memristor using resistive materials usually consists of an insulator sandwiched by two metals, also known as MIM structure, as illustrated in Fig. 4. By changing the magnitude and the polarity of the signal applied to the metals (i.e., electrodes here), the sandwiched insulator can be toggled between the ‘ON’ state and the ‘OFF’ state so as to realise the memristive function. Although such a resistance transition phenomenon has been found for many years, the correlated physical mechanism is still not well understood. Today, the electric pulse induced resistance switching (EPIR) effect is the most generally accepted mechanism. The most appealing trait of EPIR arises from its strong field-direction dependence, indicating that the resistance of the system can be toggled by theapplied voltage or current pulses to generate the I–V hysteresis that supplies the function of the resistance memory. Although the secret behind EPIR is still uncovered, the consensus is that the EPIR effect will cause the formation and rupture of a conductive filament (CF) inside the resistive materials [33]. Thermochemical effect has been regarded as one of the most plausible explanations for the CF hypothesis [34–۳۶]. The thermochemical mechanism assumes a large number of O2- ions accumulated around the electrode, thus leading to a formation of oxygen vacancies. With an application of a negative bias to the top electrode, the O2- ions are pushed away from the top electrode, while the oxygen vacancies are attracted towards the top electrode. In this case, the vacancy dopants would drift in the electric field through the most favourable diffusion paths, such as grain boundaries, to form a filamentlike path with a high electrical conductivity [37]. Once the CFs are formed, the current flow that would concentrate on the resulting filaments can trigger a fast growth of these filaments due to the local heating by the concentrated current flow, which corresponds to a ‘SET’ process. The ‘RESET’ process, is postulated to be realized by the thermal rupture of the filaments according to the heat produced in the presence of a large current flow. In contrast to the thermochemical effect, another interpretation ascribed the occurring of the CF to the motion of the oxygen ions that usually appear near crystal defects such as oxygen vacancies and grain boundaries [28, 38, 39]. As shown in Fig. 5a, applying a positive bias to the top electrode would drive the oxygen ions towards the top electrode where the oxygen ions will thereby accumulate. This migration would produce abundant cation vacancies therein Fig. 5b. As the cation vacancies that can create an acceptor level near the valence band are the source of the hole carriers in semiconductors, it is possible for these newly created cation vacancies to be transformed into the nuclei of semiconducting CFs. Subsequently these nuclei will grow with the assist of the electric field to form a CF extending through the whole thickness of the storage medium (Fig. 5c), and finally the memory cell would reach the LRS. Due to the fact that the CF actually grows from anode to cathode, the thinnest region of the CF is regarded to be located near the cathode [28]. As a result, more Joule heating will be accumulated at the thinnest part of the CF when negatively biasing the top electrode. Under this circumstance, the oxygen ions at the thinnest part of the CF will be aggressively accelerated towards the bottom electrode and then be trapped at the storage medium/bottom electrode interface or the grain boundaries of the bottom electrode. This motion would destroy the concentration of the cation vacancies in the thinnest part of the CF, thus resulting in the rupture of the CF, as shown in Fig. 5d. The memory cell will consequently be switched into the HRS.