Caracterización eléctrica y modelado de memorias no volátiles basadas en óxidos

En este trabajo se presenta un estudio sobre la conmutación de la resistencia eléctrica en dispositivos formados por estructuras metal - óxido - metal. Se estudiaron dos óxidos paradigmáticos por el tipo de mecanismo que exhiben, la manganita La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3 (LPCMO) y el óxido simple TiO2. En la primera parte de la Tesis se analizaron los mecanismos de la conmutación resistiva en dispositivos de LPCMO cerámico a través de un enfoque teórico - experimental. A partir de la comprensión de la respuesta microscópica utilizando un modelo de migración de defectos, se interpretaron resultados experimentales novedosos con potencial uso tecnológico, como la reducción del umbral necesario para la conmutación, la optimización en el proceso de inicialización, el incremento en la durabilidad de los dispositivos y la mejora de la relación entre los valores de resistencia alta y baja. La segunda parte de la Tesis está dedicada a junturas metal - óxido - metal basadas en películas de TiO2 obtenido por técnicas de dip-coating y sputtering reactivo. En este último caso se realizó la microfabricación de dispositivos con áreas de hasta 4 x 4 um2 . Se fabricaron arreglos de junturas de Au/TiO2/Al, y se caracterizaron sus dos modos de conmutación de la resistencia (unipolar y bipolar) obteniendo durabilidades de hasta 104 ciclos de conmutación y retentividades de hasta 105 segundos. Por otra parte se reformuló el modelo de migración de vacancias de oxígeno para reproducir los resultados experimentales obtenidos en dispositivos de TiO2. Asimismo, se estudiaron junturas de Au/TiO2/Cu con diferentes procesos de inicialización, encontrando que éstos determinan el tipo de filamento responsable de la conmutación resistiva. Se estudió su respuesta en presencia de irradiación con iones de oxígeno.In this work we present an experimental and theoretical study of the resistive switching (RS) phenomena in a complex oxide, La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3 (LPCMO), and a simple oxide, TiO2. In the first part we studied the RS in ceramic manganite LPCMO through a theoretical - experimental approach. Microscopic profiles of oxygen vacancy concentration was revealed by the enhanced oxygen vacancy migration (VEOV) model. The understanding of the underlying mechanism allowed to produce a reduced threshold for switching, to control the initialization process, to obtain the increase of the durability by three orders of magnitude, and to attain an improved relationship between high and low resistance values. In the second part, we designed and micro-fabricated memory cell arrays.Tests were conducted using TiO2 obtained by the dip coating and reactive sputtering techniques. The devices were characterized (i) morphologically by AFM, ellipsometry, x-ray diffraction, and SEM in parallel and transversal view and (ii) electrically by the pulsed and dc measurements resulting in a durability of 104 cycles and viii a retention of 105 s. The reformulated VEOV migration model of oxygen vacancies reproduced the experimental results sufficiently in TiO2. Au/TiO2/Cu junctions were studied with different electroforming polarities, which determines the nature of the conductive filament responsible of the resistive switching. In this configuration three stable states were achieved. Based in the microfabricated devices with memory properties, we studied its response under heavy ions irradiation and we designed and built a fully functional prototype for testing in aerospace conditions.Fil: Ghenzi, Néstor. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentin

Tuning the resistive switching properties of TiO2-x films

We study the electrical characteristics of TiO2-x-based resistive switching devices fabricated with different oxygen/argon flow ratio during the oxide thin film sputtering deposition. Upon minute changes in this fabrication parameter, three qualitatively different device characteristics were accessed in the same system, namely, standard bipolar resistive switching, electroforming-free devices, and devices with multi-step breakdown. We propose that small variations in the oxygen/ argon flow ratio result in relevant changes of the oxygen vacancy concentration, which is the key parameter determining the resistive switching behavior. The coexistence of percolative or non-percolative conductive filaments is also discussed. Finally, the hypothesis is verified by means of the temperature dependence of the devices in low resistance state.Fil: Ghenzi, Néstor. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. CIC nanoGUNE; EspañaFil: Rozenberg, M.J.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Université Paris Sud; FranciaFil: Llopis, R.. CIC nanoGUNE; EspañaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Hueso, Luis E.. Universidad del País Vasco; España. Fundación Vasca para la Ciencia; EspañaFil: Stoliar, Pablo Alberto. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. CIC nanoGUNE; Españ

Hysteresis Switching Loops in Ag-manganite memristive interfaces

Multilevel resistance states in silver-manganite interfaces are studied both experimentally and through a realistic model that includes as a main ingredient the oxygen vacancies diffusion under applied electric fields. The switching threshold and amplitude studied through Hysteresis Switching Loops are found to depend critically on the initial state. The associated vacancy profiles further unveil the prominent role of the effective electric field acting at the interfaces. While experimental results validate main assumptions of the model, the simulations allow to disentangle the microscopic mechanisms behind the resistive switching in metal-transition metal oxide interfaces.Comment: 14 pages, 3 figures, to be published in Jour. of Appl. Phy

Recent advances on information transmission and storage assisted by noise

The interplay between nonlinear dynamic systems and noise has proved to be of great relevance in several application areas. In this presentation, we focus on the areas of information transmission and storage. We review some recent results on information transmission through nonlinear channels assisted by noise. We also present recent proposals of memory devices in which noise plays an essential role. Finally, we discuss new results on the influence of noise in memristors.Comment: To be published in "Theory and Applications of Nonlinear Dynamics: Model and Design of Complex Systems", Proceedings of ICAND 2012 (Springer, 2014

Impact of sub- and supra- threshold switching in the synaptic behavior of TiO2 memristors

Al/TiO2/Au memory junctions grown by reactive sputtering were fabricated and characterized. Usual hysteretic features were obtained, spanning an order of magnitude ratio between high and low resistance states. We explored sub-threshold and supra-threshold stimuli, to describe “binary” and “analogic” synapses (i.e. synaptic emulators) characteristics in detail. We show that each type of behavior can be chosen regarding the dependence of the switching on the amplitude of voltage stimuli. The sub-threshold switching originating the analog mode is explained by the drift-diffusion of oxygen vacancies while the binary mode is attributed to the Joule-heating-assisted electric-field-induced movement of oxygen vacancies. In the supra-threshold limit we found that “excitatory” and “inhibitory” synaptic behavior can be tailored by controlling the pulsing current amplitude. We discuss this result within the artificial neural network topology framework, as changing the behavior type of the synapses results in its reconfiguration.Fil: Ghenzi, Néstor. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

A compact model for binary oxides-based memristive interfaces

We report the resistive switching (RS) characteristics of Al/TiO2/Au memristive cells fabricated in a crossbar array. The measured R–V curves suggest that RS takes place essentially at the Au/TiO2 interface. We propose a model based on the electric field enhanced migration of oxygen vacancies at that interface which reproduces the main features of the experimental data, namely the remnant resistance states and the degradation process. Obtained vacancy profiles at the active region of the junction give insight for the design of improved devices.Fil: Ghenzi, Néstor. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Constituyentes; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Area de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Bariloche); ArgentinaFil: Sánchez, María José. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Constituyentes; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Area de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Bariloche); Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Adaptive threshold in TiO 2 -based synapses

We measured and analyzed the dynamic and remnant current-voltages curves of Al/TiO2/Au and Ni/TiO2/Ni/Au memory devices in order to understand the conduction mechanisms and their synapse-like memory properties. Current levels and switching threshold voltages are strongly affected by the metal used for the electrode. We propose a non-trivial circuit model which captures in detail the current-voltage response of both kinds of devices. We found that, for the former device, the voltage threshold can be maintained constant, independently of the applied voltage history, while for the latter, a limiting resistor controls the threshold voltages behavior, being the origin of their dependence on the resistance value previous to the switching. The identification of the conduction mechanisms across the device allows optimizing the memristor performance and determining the best electrode choice to improve the device synapse-emulation abilities.Fil: Ghenzi, Nestor. Pontificia Universidad Católica Argentina "Santa María de los Buenos Aires"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes; ArgentinaFil: Barella, Mariano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias "Elizabeth Jares Erijman"; ArgentinaFil: Rubi, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes; ArgentinaFil: Acha, Carlos Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin