CN113656950A - 一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，具体包括以下步骤：以阻变层作为氧化锌阻变存储器的研究对象，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，构建ZnO单晶胞模型，在此基础上将ZnO单晶胞模型向A、B、C三个方向扩展得到3×2×2的ZnO超晶胞模型及2×2×1的ZnO超晶胞模型，在超晶胞模型上构建空位缺陷态，得到五种氧化锌阻变层模型，基于第一性原理方法使五种氧化锌阻变层模型体系能量降到最低、结构最优，实现氧化锌阻变存储器性能优化。本发明通过对氧化锌阻变存储器的能态结构进行研究，以确定最佳阻变层空位浓度，可以有效增加导电细丝的形成速度，提高阻变存储器的存储性能。
Description
技术领域
本发明属于阻变存储器性能研究技术领域，涉及一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法。
背景技术
网络、大数据、电子信息技术的发展使得我们的生活更加方便快捷，但这伴随着全球的数据生产量的飞速增长带来的如信息爆炸等问题，因此用于数据存储的存储器有巨大的应用前景，但这也给存储器领域带来了严峻的挑战。氧化锌(ZnO)被誉为最有潜力的电阻存储材料，其导电细丝的形成和断裂控制着数据的写入和擦除。导电细丝的形成伴随着晶体结构及原子迁移势垒的变化。在外加电压作用下的介质层材料能够产生高、低两种阻值状态的转化，由此保障器件的存储功能快速、可靠的完成。
氧化锌阻变存储器件虽然化学性质稳定并且易于制备、存储可靠性强，但是它存在着大量的本征缺陷、器件工作机理尚不明确，并且性能不是非常稳定、开关比相对较低。而氧化锌阻变存储器中不同原子的浓度与阻变存储器中氧空位的浓度是有直接关系的，氧空位的浓度会导致阻变存储器中导电细丝的形成，最终影响高低阻态改变能态结构，造成阻变存储器性能的不稳定。所以，对于不同空位浓度下氧化锌阻变存储器的能态结构进行研究及优化是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，解决了现有的氧化锌阻变存储器中存在大量本征缺陷，性能不稳定的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，具体包括以下步骤：以阻变层作为氧化锌阻变存储器的研究对象，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，构建ZnO单晶胞模型，在此基础上将ZnO单晶胞模型向A、B、C三个方向扩展得到3×2×2的ZnO超晶胞模型及2×2×1的ZnO超晶胞模型，在超晶胞模型上构建空位缺陷态，得到五种氧化锌阻变层模型，基于第一性原理方法使五种氧化锌阻变层模型体系能量降到最低、结构最优，实现氧化锌阻变存储器性能优化。
本发明的特点还在于，
具体按照以下步骤实施：
步骤1，设置晶胞常数和晶格参数，包括ZnO晶胞模型的晶格常数和晶胞尺寸；
步骤2，针对设置的晶格参数，选取广义梯度近似关联函数GGA作为适应于模型的最优关联函数；
步骤3，构建ZnO单晶胞模型，将ZnO单晶胞模型向A、B、C三个方向扩展得到3×2×2的ZnO超晶胞模型及2×2×1的ZnO超晶胞模型，在超晶胞模型上构建Zn空位缺陷态及O空位缺陷态，得到共五种氧化锌阻变层模型；
步骤4，通过广义梯度近似关联函数GGA对五种氧化锌阻变层模型结构进行计算，并采用BFGS算法对模型进行几何优化，得到氧化锌阻变层优化模型；
步骤5，计算体系结构稳定的氧化锌阻变层优化模型，得到不同空位浓度下晶格常数以及晶胞结构的变化，利用GGA通过第一性原理计算氧化锌阻变层优化模型的能带结构、电子态密度以及电子局域函数，并得到缺陷体系电子局域密度图和无缺陷体系的电子局域密度图；
步骤6，结合缺陷体系与无缺陷体系的电子局域密度图选择与实际值吻合的阻变层的受主缺陷与施主缺陷浓度，得到最利于导电细丝形成的最佳浓度，从而使氧化锌阻变存储器的性能达到最优。
步骤3具体为：
在3×2×2ZnO超晶胞模型及2×2×1ZnO超晶胞模型上分别构建Zn空位缺陷，得到Zn0.9583O、Zn0.875O锌缺陷晶体模型；在3×2×2ZnO超晶胞模型及2×2×1ZnO超晶胞模型上分别构建O空位缺陷，得到ZnO0.9583、ZnO0.875氧缺陷态模型。
步骤4具体为，
设置平面波函数基矢截断能380eV，广义梯度近似关联函数GGA迭代过程的收敛精度设置为：1.0×10-6eV，每个原子力受力不超过
应力偏差不超过0.1Gpa，布里渊区K点设置为5×5×5，其中电子与原子核的作用采用超软赝势进行处理，广义梯度近似关联函数GGA对五种氧化锌阻变层模型结构计算迭代收敛后得到氧化锌阻变层优化模型。
步骤5得到体系结构稳定化的氧化锌阻变层优化模型具体为：
设置初始电荷密度，求解如下Kohn-Sham方程，
式(3)中，ρ(r)表示电荷密度，假设动能泛函T[ρ]能够使用一个已知的无相互作用电子体系的动能泛函Ts[ρ]来替代，此无相互作用的电子体系和有相互作用的电子体系拥有相同的密度函数，Vext为电子受相同局域势的作用，电子受原子核的库仑作用被视为外场的作用，若无其它外场，则Vext＝Ve-N，能量泛函Ei是内层电子的能量，Ψi(r)表示价电子波函数。
根据式(3)计算模型电荷密度和材料的总能量，并判断模型电荷密度和材料的总能量是否收敛，若不收敛，重新设置初始电荷密度，计算模型电荷密度和材料的总能量，直到其收敛，判断收敛的模型电荷密度和材料的总能量是否达到目标值，若未达到目标值，重新为初始电荷密度赋值，直到达到目标值，则氧化锌阻变层优化模型体系结构稳定。
本发明的有益效果是：
本发明一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，通过对氧化锌阻变存储器的能态结构进行研究，以确定最佳阻变层空位浓度，可以有效增加导电细丝的形成速度，提高阻变存储器的存储性能。
附图说明
图1是本发明实施例中的原始氧化锌单晶胞模型；
图2是本发明实施例中扩胞后得到的带有Zn空位缺陷的Zn0.9583O(3×2×2)超晶胞模型；
图3是本发明实施例中扩胞后得到的带有Zn空位缺陷的Zn0.875O(2×2×1)超晶胞模型；
图4是本发明实施例中扩胞后得到的带有O空位缺陷的ZnO0.9583(3×2×2)超晶胞模型；
图5是本发明实施例中扩胞后得到的带有O空位缺陷的ZnO0.875(2×2×1)超晶胞模型；
图6是本发明实施例中无缺陷的ZnO单晶胞能带结构分布，其中，图6(a)为无缺陷的ZnO单晶胞总能带结构图，图6(b)为无缺陷的ZnO单晶胞总态密度图，图6(c)为无缺陷的ZnO单晶胞Zn元素各轨道的分波态密度与总态对比密度图，图6(d)为无缺陷的ZnO单晶胞O元素各轨道的分波态密度与总态密度对比图；
图7是本发明实施例中带有Zn空位缺陷的Zn0.9583O(3×2×2)超晶胞模型的能带结构分布，其中，图7(a)为Zn0.9583O(3×2×2)超晶胞模型总能带结构图，图7(b)为Zn0.9583O(3×2×2)超晶胞模型总态密度图，图7(c)为Zn0.9583O(3×2×2)超晶胞模型Zn元素各轨道的分波态密度与总态对比密度图，图7(d)为Zn0.9583O(3×2×2)超晶胞模型O元素各轨道的分波态密度与总态密度对比图；
图8是本发明实施例中带有O空位缺陷的ZnO0.9583(3×2×2)超晶胞模型的能带结构分布，其中，图8(a)为ZnO0.9583(3×2×2)超晶胞模型总能带结构图，图8(b)为ZnO0.9583(3×2×2)超晶胞模型总态密度图，图8(c)为ZnO0.9583(3×2×2)超晶胞模型Zn元素各轨道的分波态密度与总态对比密度图，图8(d)为ZnO0.9583(3×2×2)超晶胞模型O元素各轨道的分波态密度与总态密度对比图；
图9是本发明实施例中带有Zn空位缺陷的Zn0.875O(2×2×1)超晶胞模型的能带结构分布，其中，图9(a)为Zn0.875O(2×2×1)超晶胞模型总能带结构图，图9(b)为Zn0.875O(2×2×1)超晶胞模型总态密度图，图9(c)为Zn0.875O(2×2×1)超晶胞模型Zn元素各轨道的分波态密度与总态对比密度图，图9(d)为Zn0.875O(2×2×1)超晶胞模型O元素各轨道的分波态密度与总态密度对比图；
图10是本发明实施例中带有O空位缺陷的ZnO0.875(2×2×1)超晶胞模型的能带结构分布，其中，图10(a)为的ZnO0.875(2×2×1)超晶胞模型总能带结构图，图10(b)为的ZnO0.875(2×2×1)超晶胞模型总态密度图，图10(c)为的ZnO0.875(2×2×1)超晶胞模型Zn元素各轨道的分波态密度与总态对比密度图，图10(d)为的ZnO0.875(2×2×1)超晶胞模型O元素各轨道的分波态密度与总态密度对比图；
图11是本发明实施例中无缺陷的ZnO单晶胞电子局域函数图；
图12是本发明实施例中带有Zn空位缺陷的Zn0.9583O(3×2×2)超晶胞模型的电子局域函数图；
图13是本发明实施例中带有O空位缺陷的ZnO0.9583(3×2×2)超晶胞模型的电子局域函数图；
图14是本发明实施例中带有Zn空位缺陷的Zn0.875O(2×2×1)超晶胞模型的电子局域函数图；
图15是本发明实施例中带有O空位缺陷的ZnO0.875(2×2×1)超晶胞模型的电子局域函数图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例提供了一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，具体包括以下步骤：
以阻变层作为氧化锌阻变存储器的研究对象，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，构建ZnO单晶胞模型，在此基础上将ZnO单晶胞模型向A、B、C三个方向扩展得到3×2×2的ZnO超晶胞模型及2×2×1的ZnO超晶胞模型，在超晶胞模型上构建空位缺陷态，得到五种氧化锌阻变层模型，基于第一性原理方法使五种氧化锌阻变层模型体系能量降到最低、结构最优，实现氧化锌阻变存储器性能优化。
具体按照以下步骤实施：
步骤1，以氧化锌三种结构中最稳定的纤锌矿结构为例，实验晶格常数边长设置为
晶格角度设置为α＝90°，β＝90°，γ＝120°，锌原子与氧原子以密堆积方式排列，1个锌原子与4个氧原子直接相连，其中晶胞尺寸c/a为取值为1.6002。
步骤2，针对设置的晶格参数，通过对局域密度近似(Local DensityApproximation，LDA)、广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation，GGA)关联函数的对比，对比过程具体为：
局域密度近似函数LDA公式如下：
Exc[ρ(r)]＝∫ρ(r)εxc[ρ(r)]dr (1)
式(1)中，εxc(ρ)表示均匀电子Exc[ρ(r)]的密度，可以通过精确的数值拟合得到交换关联势；
广义梯度近似关联函数GGA是在局域密度近似的基础上加入了电荷密度的梯度Δρ(r)，所得到的能量泛函与电荷密度梯度有关，公式如下：
式(2)中，能量泛函Exc是内层电荷密度的能量，εxc(ρ)表示均匀电子Exc[ρ(r)]的密度，ρ(r)为电荷密度，
表示使用GGA泛函所计算的电荷能量，
表示电荷密度梯度。
选用PBE泛函进行结构优化，对晶格常数可以给出更好的结果，选用半局域泛函GGA/Meta GGA引入局域的密度梯度和动能项，根据以上结果数据增加相应经验参数校正选项，主要考虑Hubbard+U、范德华力、DFT-1/2参数，选择Zn元素的d轨道和O元素的p轨道同时对其能量赋值，设置Zn元素的d轨道能量UZnd＝10.5eV，O元素的p轨道能量UOp＝7eV，再进行迭代计算，最终得到GGA+U方法计算的ZnO能隙值为3.339eV，此结果表明采用GGA+U交换关联函数势克服了LDA和GGA关联函数针对半导体材料计算方法的不准确性的问题，计算的能隙值有了很大提高，最终计算值与实验值3.37eV非常接近，因此，交换关联泛函设置为GGA+PBE进行计算。
步骤3，构建如图1所示的ZnO单晶胞模型，将ZnO单晶胞模型向A、B、C三个方向扩展得到ZnO(3×2×2)超晶胞模型及ZnO(2×2×1)超晶胞模型，在超晶胞模型上构建Zn空位缺陷态及O空位缺陷态，得到共五种氧化锌阻变层模型；
步骤3具体为：
在ZnO(3×2×2)超晶胞模型及ZnO(2×2×1)超晶胞模型上分别构建Zn空位缺陷，得到如图2所示的Zn0.9583O锌缺陷晶体模型和如图3所示的Zn0.875O锌缺陷晶体模型；在ZnO(3×2×2)超晶胞模型及ZnO(2×2×1)超晶胞模型上分别构建O空位缺陷，得到如图4所示的ZnO0.9583氧缺陷态模型和如图5所示的ZnO0.875氧缺陷态模型。
步骤4，通过广义梯度近似关联函数GGA对五种氧化锌阻变层模型结构进行计算，并采用BFGS算法对模型进行几何优化，得到氧化锌阻变层优化模型；
步骤4具体为，设置平面波函数基矢截断能380eV，广义梯度近似关联函数GGA迭代过程的收敛精度设置为：1.0×10-6eV，每个原子力受力不超过
应力偏差不超过0.1Gpa，布里渊区K点设置为5×5×5，其中电子与原子核的作用采用超软赝势进行处理，广义梯度近似关联函数GGA对五种氧化锌阻变层模型结构计算迭代收敛后得到氧化锌阻变层优化模型。
步骤5，计算体系结构稳定的氧化锌阻变层优化模型，得到不同空位浓度下晶格常数以及晶胞结构的变化，利用GGA通过第一性原理计算氧化锌阻变层优化模型的能带结构、电子态密度以及电子局域函数，无缺陷的ZnO单晶胞能带结构分布如图6所示，带有Zn空位缺陷的Zn0.9583O(3×2×2)超晶胞模型的能带结构分布如图7所示带有O空位缺陷的ZnO0.9583(3×2×2)超晶胞模型的能带结构分布如图8所示，带有Zn空位缺陷的Zn0.875O(2×2×1)超晶胞模型的能带结构分布如图9所示，带有O空位缺陷的ZnO0.875(2×2×1)超晶胞模型的能带结构分布如图10所示，各能带结构分布包括总能带结构图、总态密度图、Zn元素各轨道的分波态密度与总态密度对比图、O元素各轨道的分波态密度与总态密度对比图，并得到如图11所示的无缺陷的ZnO单晶胞电子局域密度图、如图12所示的带有Zn空位缺陷的Zn0.9583O(3×2×2)超晶胞模型的电子局域密度图、如图13所示的带有O空位缺陷的ZnO0.9583(3×2×2)超晶胞模型的电子局域密度图、如图14所示的带有Zn空位缺陷的Zn0.875O(2×2×1)超晶胞模型的电子局域密度图、如图15所示的带有O空位缺陷的ZnO0.875(2×2×1)超晶胞模型的电子局域密度图；
步骤5得到体系结构稳定化的氧化锌阻变层优化模型具体为：
设置初始电荷密度，求解如下Kohn-Sham方程，
式(3)中，ρ(r)表示电荷密度，假设动能泛函T[ρ]能够使用一个已知的无相互作用电子体系的动能泛函Ts[ρ]来替代，此无相互作用的电子体系和有相互作用的电子体系拥有相同的密度函数，Vext为电子受相同局域势的作用，电子受原子核的库仑作用被视为外场的作用，若无其它外场，则Vext＝Ve-N，能量泛函Ei是内层电子的能量，Ψi(r)表示价电子波函数。
根据式(3)计算模型电荷密度和材料的总能量，并判断模型电荷密度和材料的总能量是否收敛，若不收敛，重新设置初始电荷密度，计算模型电荷密度和材料的总能量，直到其收敛，判断收敛的模型电荷密度和材料的总能量是否达到目标值，若未达到目标值，重新为初始电荷密度赋值，直到达到目标值，则氧化锌阻变层优化模型体系结构稳定；
计算五种模型的不同空位浓度下晶格常数以及晶胞结构的变化，可以发现随着Zn空位浓度由4.17％增加到12.5％，晶格常数a、b从0.328365nm减小到0.323575nm，c从0.529989nm减小到0.518112nm，体积由0.0494892nm2减小到0.0469345nm2，晶格常数及体积减小的原因是体系中的Zn空位存在使得O原子周围的配位Zn原子个数减少，使得体系内局部发生应力集中，随锌空位浓度增大，晶格常数和体积也随之变小；随着O空位浓度由4.17％增加到12.5％，晶格常数a、b从0.328365nm减小到0.32381nm，c从0.529989nm减小到0.515798nm，体积由0.0494892nm2减小到0.046837nm2，氧空位的存在会产生两种不同形式的势场，二价正电性的电势场和空位结构导致的力学势场。其他原子受到力学势场的作用会向空位处移动，体系中的氧离子在电场作用下向空位处移动。由于体系中原子的向空位处的移动，整个体系的晶格常数减小了，晶格常数的减小导致体系体积的减小，随着氧空位浓度的增大，体系中的两种势能加强，原子偏移量增加，晶格参数及体积减小的更多。
步骤6，结合缺陷体系与无缺陷体系的电子局域密度图选择与实际值吻合的阻变层的受主缺陷与施主缺陷浓度，得到最利于导电细丝形成的最佳浓度，从而使氧化锌阻变存储器的性能达到最优。
Claims (5)
1.一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
以阻变层作为氧化锌阻变存储器的研究对象，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，构建ZnO单晶胞模型，在此基础上将ZnO单晶胞模型向A、B、C三个方向扩展得到3×2×2的ZnO超晶胞模型及2×2×1的ZnO超晶胞模型，在超晶胞模型上构建空位缺陷态，得到五种氧化锌阻变层模型，基于第一性原理方法使五种氧化锌阻变层模型体系能量降到最低、结构最优，实现氧化锌阻变存储器性能优化。
2.如权利要求1所述的一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，设置晶胞常数和晶格参数，包括ZnO晶胞模型的晶格常数和晶胞尺寸；
步骤2，针对设置的晶格参数，选取广义梯度近似关联函数GGA作为适应于模型的最优关联函数；
步骤3，构建ZnO单晶胞模型，将ZnO单晶胞模型向A、B、C三个方向扩展得到3×2×2的ZnO超晶胞模型及2×2×1的ZnO超晶胞模型，在超晶胞模型上构建Zn空位缺陷态及O空位缺陷态，得到共五种氧化锌阻变层模型；
步骤4，通过广义梯度近似关联函数GGA对五种氧化锌阻变层模型结构进行计算，并采用BFGS算法对模型进行几何优化，得到氧化锌阻变层优化模型；
步骤5，计算体系结构稳定的氧化锌阻变层优化模型，得到不同空位浓度下晶格常数以及晶胞结构的变化，利用GGA通过第一性原理计算氧化锌阻变层优化模型的能带结构、电子态密度以及电子局域函数，并得到缺陷体系电子局域密度图和无缺陷体系的电子局域密度图；
步骤6，结合缺陷体系与无缺陷体系的电子局域密度图选择与实际值吻合的阻变层的受主缺陷与施主缺陷浓度，得到最利于导电细丝形成的最佳浓度，从而使氧化锌阻变存储器的性能达到最优。
3.如权利要求2所述的一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
在3×2×2ZnO超晶胞模型及2×2×1ZnO超晶胞模型上分别构建Zn空位缺陷，得到Zn0.9583O、Zn0.875O锌缺陷晶体模型；在3×2×2ZnO超晶胞模型及2×2×1ZnO超晶胞模型上分别构建O空位缺陷，得到ZnO0.9583、ZnO0.875氧缺陷态模型。
4.如权利要求1所述的一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，其特征在于，所述步骤4具体为，
设置平面波函数基矢截断能380eV，广义梯度近似关联函数GGA迭代过程的收敛精度设置为：1.0×10-6eV，每个原子力受力不超过
应力偏差不超过0.1Gpa，布里渊区K点设置为5×5×5，其中电子与原子核的作用采用超软赝势进行处理，广义梯度近似关联函数GGA对五种氧化锌阻变层模型结构计算迭代收敛后得到氧化锌阻变层优化模型。
5.如权利要求1所述的一种基于不同空位浓度的氧化锌阻变存储器性能优化方法，其特征在于，所述步骤5得到体系结构稳定化的氧化锌阻变层优化模型具体为：
设置初始电荷密度，求解如下Kohn-Sha方程，
式(3)中，ρ(r)表示电荷密度，假设动能泛函T[ρ]能够使用一个已知的无相互作用电子体系的动能泛函Ts[ρ]来替代，此无相互作用的电子体系和有相互作用的电子体系拥有相同的密度函数，Vext为电子受相同局域势的作用，电子受原子核的库仑作用被视为外场的作用，若无其它外场，则Vext＝Ve-N，能量泛函Ei是内层电子的能量，Ψi(r)表示价电子波函数。
根据式(3)计算模型电荷密度和材料的总能量，并判断模型电荷密度和材料的总能量是否收敛，若不收敛，重新设置初始电荷密度，计算模型电荷密度和材料的总能量，直到其收敛，判断收敛的模型电荷密度和材料的总能量是否达到目标值，若未达到目标值，重新为初始电荷密度赋值，直到达到目标值，则氧化锌阻变层优化模型体系结构稳定。
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