Активационные процессы при работе ионного мемристора Ag/SnSe/Ge2Se3/W с самоформирующимся токопроводящим каналом

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.

1. Kim 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/10.1088/0957-4484/22/25/254002

2. Kwon 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.2009.456

3. Waser 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.200900375

4. Valov I., Waser R., Jameson J.R., Kozicki M.N. Electrochemical metallization memories –fundamentals, applications, prospects. Nanotechnology. 2011; 22(25): 254003. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/25/254003

5. Karpov 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.8.024028

6. Niraula 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/10.1063/1.5042789

7. Глесстон C., Лейдлер K., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. Пер. с англ. М.: Государственное издательство иностранной литературы; 1948. 583 с.

8. Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуховицкий А.А. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. М.: Металлургия; 1974. 280 с.

9. Feltz A. Amorphous inorganic materials and glasses. N.Y.; Weinheim: VCH Publishers Inc.; 1993. 446 p.

10. 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.2016.11.006

11. Patent (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/en

12. Devasia 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/10.1063/1.3385781

13. Edwards 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/10.1088/0953-8984/24/19/195801

14. Алешин 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/S0544126922020028

15. Бокштейн Б.С., Менделев М.И., Похвиснев Ю.В. Физическая химия: термодинамика и кинетика. М.: Изд. Дом МИСиС; 2012. 258 с.

16. 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.0075

17. Shvindlerman 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./s10853-006-0563-0

18. Алешин 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.2023.04.54526.19423

19. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высшая школа; 1975. 416 с.

20. 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.2021.13.51121.18415

21. Алешин 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/10.17073/1609-3577-2021-2-79-87

22. Клингер Л.М. Диффузия и гетерофазные флуктуации. Металлофизика. 1984; 6(5): 11–18.