一种新型二氧化铈基忆阻器材料的设计方法技术

一种新型二氧化铈基忆阻器材料的设计方法，包括如下步骤：I.获取纯体相CeO

【技术实现步骤摘要】
一种新型二氧化铈基忆阻器材料的设计方法
本专利技术涉及一种新型忆阻器材料的设计方法，属于微电子材料

技术介绍
忆阻器是一种新兴电路器件，具有读写速度快、集成密度高、能耗小、尺寸小等优点，在微电子、计算机、神经网络等领域有着重要的应用价值。忆阻器一般由金属电极/绝缘介质/金属电极三部分构成三明治式薄层结构，绝缘介质层是忆阻器的核心，一般采用金属氧化物材料，表现出优异的忆阻转变行为，即在高阻态和低阻态之间实现连续可逆的变化。目前，研究关注较多的忆阻器材料是二氧化钛(TiO2)基材料，因为TiO2中含有丰富的氧空位缺陷，这些氧空位缺陷在外加电场驱动下发生迁移，带来氧空位的形成与合并，从而主导导电丝的形成与熔断，连续改变材料的阻值。然而，TiO2中氧空位的形成能较高，也就是说实际上，氧空位并不易形成，这样，系统的导电性便不易被触发。因此，依赖于氧空位缺陷的忆阻器材料是否有足够优良的忆阻性能，其忆阻机制到底是怎么样的，这些问题仍是本领域发展所面临的重要问题。稀土铈氧化物是一种拥有极大技术应用价值的材料，其中也具有丰富的氧空位缺陷，而且氧空位可以快递形成与合并。因此，稀土铈氧化物也能作为忆阻器的绝缘介质层材料，十分具有潜力。
技术实现思路
针对现有技术的上述问题，本专利技术提供一种以稀土铈氧化物基忆阻材料为基础，具有优异忆阻性能的新型忆阻器材料的设计方法。为实现上述目的，本专利技术包括如下技术方案：一种新型二氧化铈基忆阻器材料的设计方法，包括如下步骤：I.获取纯体相CeO2的导电特性：建立CeO2体相超晶胞模型，用第一性原理方法计算得到体系的电子态密度；II.在CeO2中添加能提供多余电子的元素并获取其导电特性：建立体相超晶胞模型；用第一性原理方法计算得到体系的电子态密度；III.将步骤II与步骤I的电子态密度结果进行比较，在费米能级附近电子态密度在费米能级附近存在占据态，且能态之间相互连接形成连续的波动峰变换，说明该体系为忆阻材料；如果电子态密度的结果显示导带为空，且与价带间有较大的能隙，说明该体系为绝缘材料。如上所述的设计方法，优选地，所述能提供多余电子的元素为氢元素或三价金属元素。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的研究者在针对不同类型CeO2氧空位缺陷材料的研究中发现，体相CeO2为绝缘态，而在CeO2中生成一个极化子后材料呈现金属态，但不具备忆阻特性，由此确定设计忆阻材料的方向为：在CeO2中生成极化子的材料，通过计算获得电子态密度的结果，来判断是否为忆阻材料。该方法是通过计算模拟方法来实现新型忆阻器元件的材料选择和成分设计。理论计算模拟方法不借助任何经验参数，只需元素的原子序数及原子位置即可以得到材料的电子结构，根据原子结构信息，利用周期性边界条件，建立计算所用超晶胞，从而将固体材料抽象为具有平移周期性的理想晶体，进而分析和预测材料的各种性能。附图说明图1是纯体相CeO2的电子态密度谱图。图2a是实施例1含有一个极化子的CeO2的晶体结构图。图2b是实施例1含有一个极化子的CeO2的电子态密度谱图。图3a是实施例2含有10个极化子的CeO2的晶体结构图。图3b是实施例2含有10个极化子的CeO2的电子态密度谱图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。实施例1具有一个极化子的CeO2体系导电性研究1、建立含有96个原子的体相CeO2超晶胞模型，用第一性原理计算得到体相CeO2的电子态密度，如附图1所示，可见纯体相CeO2为绝缘体，即导带为空，且与价带间有较大的能隙。2、在CeO2中生成一个极化子，所谓极化子，是指有一个电子局域在一个Ce原子上，形成一个三价Ce3+原子。当形成一个极化子后，建立超晶胞模型，如附图2(a)所示，计算体系的电子态密度，如附图2(b)所示，发现在费米能级附近出现了一个电子占据态，图2(b)中虚线附近所显示的峰值，这时，体系呈现金属性变化，也就是说，极化子的存在导致CeO2从绝缘态变成金属态，导电性大幅提升。因此判定，极化子是CeO，导电性改变的一个决定性因素。CeO2若作为忆阻器材料，需要满足导电性呈现连续性变化，从物理角度来说，即要求体系的电子态密度在费米能级附近存在具有一定展宽的占据态，且能态之间相互连接形成连续的波动峰变换。因此，我们虽然知道决定CeO2基忆阻材料忆阻转变行为的主要机制是极化子诱导机制，但是光有极化子并不能完全保证材料的忆阻性能。因此，需要进一步在CeO2中添加能提供多余电子的元素，例如氢元素或是其他正三价金属元素，或者生产多个氧空位，产生多个极化子，这都能使CeO2的导电性呈现连续性变化。实施例2具有10个极化子的CeO2体系导电性研究在与实施例1相同的96个原子的体相CeO2超晶胞中产生5个氧空位，随之生成10个极化子，建立超晶胞模型，如附图3(a)所示，计算体系的电子态密度，如附图3(b)所示，发现此时体系的电子态密度在费米能级(图中虚线)附近有明显的具有一定宽度的峰值出现，且此峰值与其两旁的两个峰有相互连接的趋势，该体系具有导电性连续变化的特征，说明该材料具有忆阻器的特性。以上设计实例证明，通过这种生成氧空位的方法，可以使CeO2材料具有忆阻器的特性；同理，加入其它元素，若能产生相似变化，即可获得具有忆阻性能的CeO2材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型二氧化铈基忆阻器材料的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/nI.获取纯体相CeO

【技术特征摘要】
1.一种新型二氧化铈基忆阻器材料的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
I.获取纯体相CeO2的导电特性：建立CeO2体相超晶胞模型，用第一性原理方法计算得到体系的电子态密度；
II.在CeO2中添加能提供多余电子的元素并获取其导电特性：建立体相超晶胞模型；用第一性原理方法计算得到体系的电子态密度；
III.将步骤I...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙璐，王建伟，肖伟，崔建东，
申请(专利权)人：有研工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11