利用反应分子动力学模拟解耦TaOx/HfO2基ReRAM中电场与温度驱动的原子级形成机制
材料科学
2025-06-23 v2 应用物理
计算物理
摘要
具有双层TaOx/HfO2堆叠结构的阻变随机存取存储器(ReRAM)表现出独特的多级阻变能力。然而,支配其行为的物理过程,特别是形成(forming)的原子级机制,仍知之甚少。在本工作中,我们利用分子动力学(MD)模拟对原子尺度的形成机制进行了详细分析。采用基于电荷转移离子势(CTIP)形式与隐自由度电化学动力学(EChemDID)方法相结合的扩展电荷平衡方案,对施加电压的局部效应进行建模。我们的模拟表明,在施加电压下钽离子表现出最大的位移,其次是铪离子,而氧离子的响应极小。这导致在正顶部电极(阳极)附近形成贫钽富氧区,并在负底部电极(阴极)附近发生氧空位聚集,而该处正是导电丝成核的位置。这种离子偏析部分屏蔽了体介电层免受外加电场的影响,阻碍了离子在垂直方向上的进一步迁移。我们发现,引发空位聚集需要一个最小阈值电压。导电丝的生长通过局部机制进行,由热激活产生的氧空位缺陷驱动,这些缺陷在阴极已成核导电丝边缘附近稳定下来。
引用
@article{arxiv.2505.24468,
title = {Decoupling Electric Field and Temperature-Driven Atomistic Forming Mechanisms in TaOx/HfO2-Based ReRAMs using Reactive Molecular Dynamics Simulations},
author = {Simanta Lahkar and Valeria Bragaglia and Behnaz Bagheri and Donato Francesco Falcone and Matteo Galetta and Marilyne Sousa and Aida Todri-Sanial},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.24468},
year = {2025}
}