mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577j.met202308.550RDDACGmateltech-550Research ArticleМатематическое моделирование в материаловедении электронных компонентовMATHEMATICAL MODELING IN MATERIALS SCIENCE OF ELECTRONIC COMPONENTSАктивационные процессы при работе ионного мемристора Ag/SnSe/Ge2Se3/W с самоформирующимся токопроводящим каналомActivation processes during operation of an Ag/SnSe/Ge2Se3/W ion memristor with a self-directed current-conducting channelАлёшинА. Н.AleshinA. N.

Нагорный пр., д. 7, стр. 5, Москва, 117105

Алёшин Андрей Николаевич — доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник лаборатории «Фундаментальных исследований низкоразмерных электронных систем в наногетероструктурах соединений А3В5»

 

7-5 Nagorny Passage, Moscow 117105

Andrey N. Aleshin — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher, Laboratory for Basic Research of Low-Dimensional Electronic Systems in Nanoheterostructures of А3В5 Compounds

a.n.aleshin@mail.ruРубанО. А.RubanO. A.

Нагорный пр., д. 7, стр. 5, Москва, 117105;

просп. Вернадского, д. 78, Москва, 119454

Рубан Олег Альбертович — канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории «Фундаментальных исследований низкоразмерных электронных систем в наногетероструктурах соединений А3В5»; доцент кафедры физики и технической механики

7-5 Nagorny Passage, Moscow 117105;

78 Vernadsky Ave., Moscow 119571

Oleg A. Ruban — Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Laboratory for Basic Research of Low-Dimensional Electronic Systems in Nanoheterostructures of А3В5 Compounds; Associate Professor of the Department of Physics and Technical Mechanics

myx.05@mail.ruИнститут сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова Российской академии наукРоссияInstitute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова Российской академии наук; МИРЭА – Российский технологический университетРоссияInstitute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics of the Russian Academy of Sciences; MIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation202322092023264290299Copyright © Алёшин А.Н., Рубан О.А., 20242024Алёшин А.Н., Рубан О.А.Aleshin A.N., Ruban O.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/550

В мемристоре ионного типа Ag/SnSe/Ge2Se3/W определена энергия активации двух основных процессов, ответственных за его работу, а именно: энергия активации образования токопроводяшего канала и энергия активации деградации мемристора. С помощью измерения вольт-амперных характеристик оценена электропроводность мемристора в низко- и высокоомном режимах работы. Для определения энергии активации использованы закон Аррениуса и положения термодинамики необратимых процессов, в частности второй постулат Онзагера, согласно которому скорость роста необратимой части энтропии стремящейся к равновесию системы пропорциональна сумме произведений протекающих в системе потоков на соответствующую каждому потоку обобщенную термодинамическую силу. За равновесное состояние мемристора принимали состояние, в котором мемристор терял способность функционировать как ячейка резистивной памяти. В качестве потока вещества использовали поток ионов Ag+ — электромиграцию. Для первого процесса энергия активации составляла 0,24 эВ, а для второго — 1,16 эВ. Разные значения энергии активации отражают различие между агломерационным механизмом формирования токопроводящего канала, типичным для мемристора Ag/SnSe/Ge2Se3/W, и «стандартным» механизмом переноса вещества на основе группы точечных дефектов, сопровождающим процесс деградации мемристора.

In an Ag/SnSe/Ge2Se3/W ionic type memristor, the activation energy of two main processes responsible for its operation has been determined, namely: the activation energy for the formation of a conductive channel and the activation energy for memristor degradation. By measuring the current-voltage characteristics, the electrical conductivity of the memristor in low- and high-resistance operating modes was assessed. To determine the activation energy, the Arrhenius law and the provisions of the thermodynamics of irreversible processes were used, in particular the second postulate of Onsager, according to which the growth rate of the irreversible part of the entropy of a system tending to equilibrium is proportional to the sum of the products of the flows occurring in the system and the generalized thermodynamic force corresponding to each flow. The equilibrium state of the memristor was taken to be the state in which the memristor lost the ability to function as a resistive memory cell. The flow of Ag+ ions – electromigration was used as a substance flow. For the first process, the activation energy was 0.24 eV, and for the second, 1.16 eV. The different values of activation energy reflect the difference between the agglomeration mechanism of formation of a current-conducting channel, typical of an Ag/SnSe/Ge2Se3/W memristor, and the “standard” mechanism of substance transfer based on a group of point defects, which accompanies the process of memristor degradation.

электропроводностьтвердый электролитаморфная матрицаэнергия активацииагломерационный механизмelectrical conductivitysolid electrolyteamorphous matrixactivation energyagglomeration mechanismРабота выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 19-29-03003 МК)This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research, project No. 19-29-03003 MK.ReferencesKim K.М., Jeong D.S., Hwang C.S. Nanofilamentary resistive switching in binary oxide system; a review on the present status and outlook. Nanotechnology. 2011; 22(25): 254002. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/25/254002Kim K.М., Jeong D.S., Hwang C.S. Nanofilamentary resistive switching in binary oxide system; a review on the present status and outlook. Nanotechnology. 2011; 22(25): 254002. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/25/254002Kwon D.-H., Kim K.M., Jang J.H., Jeon J.M., Lee M.H., Kim G.H., Li X.-S., Park G.-S., Lee B., Han S., Kim M., Hwang C.S. Atomic structure of conducting nanofilaments in TiO2 resistive switching memory. Nature Nanotechnology. 2010; 5(2): 148–153. https://doi.org/10.1038/NNANO.2009.456Kwon D.-H., Kim K.M., Jang J.H., Jeon J.M., Lee M.H., Kim G.H., Li X.-S., Park G.-S., Lee B., Han S., Kim M., Hwang C.S. Atomic structure of conducting nanofilaments in TiO2 resistive switching memory. Nature Nanotechnology. 2010; 5(2): 148–153. https://doi.org/10.1038/NNANO.2009.456Waser R., Dittmann R., Staikov G., Szot K. Redox-based resistive switching memories – nanoionic mechanisms, prospects, and challenges. Advanced Materials. 2009; 21(25-26): 2632–2663. https://doi.org/10.1002/adma.200900375Waser R., Dittmann R., Staikov G., Szot K. Redox-based resistive switching memories – nanoionic mechanisms, prospects, and challenges. Advanced Materials. 2009; 21(25-26): 2632–2663. https://doi.org/10.1002/adma.200900375Valov I., Waser R., Jameson J.R., Kozicki M.N. Electrochemical metallization memories –fundamentals, applications, prospects. Nanotechnology. 2011; 22(25): 254003. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/25/254003Valov I., Waser R., Jameson J.R., Kozicki M.N. Electrochemical metallization memories –fundamentals, applications, prospects. Nanotechnology. 2011; 22(25): 254003. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/25/254003Karpov V.G., Niraula D., Karpov I.V., Kotlyar R. Thermodynamics of phase transitions and bipolar filamentary switching in resistive random-access memory. Physical Review Applied. 2017; 8(2): 024028. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.024028Karpov V.G., Niraula D., Karpov I.V., Kotlyar R. Thermodynamics of phase transitions and bipolar filamentary switching in resistive random-access memory. Physical Review Applied. 2017; 8(2): 024028. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.024028Niraula D., Karpov V.J. Comprehensive numerical modeling of filamentary RRAM devices including voltage ramp-rate and cycle-to-cycle variations. Physical Review Applied. 2018; 124(17): 174502. https://doi.org/10.1063/1.5042789Niraula D., Karpov V.J. Comprehensive numerical modeling of filamentary RRAM devices including voltage ramp-rate and cycle-to-cycle variations. Physical Review Applied. 2018; 124(17): 174502. https://doi.org/10.1063/1.5042789Глесстон C., Лейдлер K., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. Пер. с англ. М.: Государственное издательство иностранной литературы; 1948. 583 с.Glasstone S., Laidler K., Eyring H. The theory of rate processes. N.Y.; London: McGraw-Hill Book Company, Inc.; 1941. 611 p. (Russ. Transl.: Glesston C., Leidler K., Eiring G. Teoriya absolyutnykh skorostei reaktsii. Moscow: Gosudarstvennoe izdatel'stvo inostrannoi literatury; 1948. 583 p.)Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуховицкий А.А. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. М.: Металлургия; 1974. 280 с.Bokshtein B.S., Bokshtein S.Z., Zhukhovitskii A.A. Thermodynamics and kinetics of diffusion in solids. Moscow: Metallurgiya; 1974. 280 p. (In Russ.)Feltz A. Amorphous inorganic materials and glasses. N.Y.; Weinheim: VCH Publishers Inc.; 1993. 446 p.Feltz A. Amorphous inorganic materials and glasses. N.Y.; Weinheim: VCH Publishers Inc.; 1993. 446 p.Campbell K.A. Self-directed channel memristor for high temperature operation. Microelectronics Journal. 2017; 59(4): 10–14. http://dx.doi.org/10.1016/j.mejo.2016.11.006Campbell K.A. Self-directed channel memristor for high temperature operation. Microelectronics Journal. 2017; 59(4): 10–14. http://dx.doi.org/10.1016/j.mejo.2016.11.006Patent (US) 7151273B2. Campbell K.A., Moore J.T. Silver-selenide/chalcogenide glass stack for resistance variable memory. Appl.: 12.04.2002; publ.: 21.08.2003. URL: https://patents.google.com/patent/US7151273B2/enPatent (US) 7151273B2. Campbell K.A., Moore J.T. Silver-selenide/chalcogenide glass stack for resistance variable memory. Appl.: 12.04.2002; publ.: 21.08.2003. URL: https://patents.google.com/patent/US7151273B2/enDevasia A., Kurinec S., Campbell K.A., Raoux S. Influence of Sn migration on phase transition in GeTe and Ge2Se3 thin films. Applied Physics Letters. 2010; 96(5): 141908. https://doi.org/10.1063/1.3385781Devasia A., Kurinec S., Campbell K.A., Raoux S. Influence of Sn migration on phase transition in GeTe and Ge2Se3 thin films. Applied Physics Letters. 2010; 96(5): 141908. https://doi.org/10.1063/1.3385781Edwards A.H., Campbell K.A., Pineda A.C. Self-trapping of single and paired electrons in Ge2Se3. Journal of Physics Condensed Matter. 2012; 24(19): 195801. https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/19/195801Edwards A.H., Campbell K.A., Pineda A.C. Self-trapping of single and paired electrons in Ge2Se3. Journal of Physics Condensed Matter. 2012; 24(19): 195801. https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/19/195801Алешин А.Н., Рубан О.А. Температурно-частотное исследование мемристоров на основе селенида германия с самоформирующимся токопроводящим каналом. Микроэлектроника. 2022; 51(2): 101–109. https://doi.org/10.31857/S0544126922020028Aleshin A.N., Ruban O.A. Temperature-frequency study of germanium selenide memristors with a self-directed current-conducting channel. Russian Microelectronics. 2022; 51(2): 59–67. https://doi.org/10.31857/S0544126922020028Бокштейн Б.С., Менделев М.И., Похвиснев Ю.В. Физическая химия: термодинамика и кинетика. М.: Изд. Дом МИСиС; 2012. 258 с.Bokshtein B.S., Mendelev M.I., Pokhvisnev Yu.V. Physical chemistry: thermodynamics and kinetics Moscow: Izd. Dom MISiS; 2012, 258 p. (In Russ.)Золотухин И.В., Калинин Ю.Е. Аморфные металлические сплавы. Успехи физических наук. 1990; 160(9): 75–110. https://doi.org/10.3367/UFNr.0160.199009b.0075Zolotukhin I.V., Kalinin Yu.E. Amorphous metallic alloys. Physics–Uspekhi. 1990;33(9):720–738. https://doi.org/10.1070/PU1990v033n09ABEH002628Shvindlerman L.S., Gottstein G., Ivanov V.A., Molodov D.A., Kolesnikov D., Lojkowski W. Grain boundary excess free volume – direct thermodynamic measurement. Journal of Materials Science. 2006; 41(23): 7725–7729. https://doi.org/10.1007./s10853-006-0563-0Shvindlerman L.S., Gottstein G., Ivanov V.A., Molodov D.A., Kolesnikov D., Lojkowski W. Grain boundary excess free volume – direct thermodynamic measurement. Journal of Materials Science. 2006; 41(23): 7725–7729. https://doi.org/10.1007./s10853-006-0563-0Алешин А.Н., Рубан О.А. Деградационные процессы в мемристоре на основе селенида германия с самоформирующимся токопроводящим каналом. Письма в журнал технической физики. 2023; 49(4): 39–42. https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.04.54526.19423Aleshin A.N., Ruban O.A. Degradation processes in a memristor based on germanium selenide with a self-forming conductive channel. Technical Physics Letters. 2023; 49(4): 39–42. (In Russ.). https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.04.54526.19423Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высшая школа; 1975. 416 с.Damaskin B.B., Petrii O.A. Introduction to electrochemical kinetics. Мoscow: Vysshaya shkola; 1975, 416 p. (In Russ.)Алешин А.Н., Зенченко Н.В., Рубан О.А. Численное моделирование вольт-амперной характеристики биполярного мемристора на основе оксида гафния. Письма в журнал технической физики. 2021; 47(13): 39–42. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.13.51121.18415Aleshin A.N., Zenchenko N.V., Ruban O.A. Numerical simulation of the current-voltage characteristic of a bipolar memristor based on hafnium oxide. Technical Physics Letters. 2021; 47(13): 39–42. (In Russ.). https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.13.51121.18415Алешин А.Н., Зенченко Н.В., Рубан О.А. Моделирование вольт-амперной характеристики мемристора TiN/HfO2/Pt при различной толщине токопроводящего канала. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2021; 24(2): 79-87. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2021-2-79-87Aleshin A.N., Zenchenko N.V., Ruban O.A. Simulation of TiN/HfO2/Pt memristor I–V curve for different conductive filament thickness. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2021; 24(2): 79–87. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2021-2-79-87Клингер Л.М. Диффузия и гетерофазные флуктуации. Металлофизика. 1984; 6(5): 11–18.Klinger L.M. Diffusion and heterophase fluctuations. Metallofizika. 1984; 6(5): 11–18. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.