Pt/Nb：SrTiO₃肖特基结的电阻变换效应和光响应特性

Pt/Nb：SrTiO 3 肖特基结的电阻变换效应和光响应特性 Resistive Switching and Light Response Characteristics of the Pt/Nb：SrTiO 3 Schottky Junction 1 2 first-author 谢 帅， 男， 博士生， 现从事电阻变换材料与器件方面的研究。 E-mail： 1003438661@qq.com 谢 帅， 男， 博士生， 现从事电阻变换材料与器件方面的研究。 E-mail： 1003438661@qq.com 1003438661@qq.com 2 1 corresp E-mail： 18064087417@163.com E-mail： 18064087417@163.com 18064087417@163.com 湖北民族大学 信息工程学院，湖北 恩施 445000 湖北民族大学 信息工程学院，湖北 恩施 445000 School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，Hubei，China School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，Hubei，China 武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉430072 武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉430072 School of Physics and Technology，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei，China School of Physics and Technology，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei，China 制备了Pt/Nb：SrTiO 3 肖特基结，测试了该器件的电阻变换和光响应特性。该器件的最大阻变（resistive switching,RS）倍率达到1.1×10 6 ，有较好的翻转和保持性能，并且具有多级存储特性。对器件施加紫色（405 nm）和红色（650 nm）激光光照，可观察到明显的光响应特性，特别是器件在高阻态下的光响应具有显著的开关特性。实现了光照对Pt/Nb：SrTiO 3 器件阻变的调控以及电压对器件光响应的调控。 对实验结果的分析表明，Pt/Nb：SrTiO 3 的阻变以及光响应现象来源于Pt/Nb：SrTiO 3 界面肖特基势垒及附近缺陷对电子的束缚/解束缚。该器件在多级阻变存储器以及多功能光电传感器中有潜在的应用价值。 We prepared Pt/Nb:SrTiO 3 Schottky junction and tested the resistive switching (RS) and light response behaviors of this device. The device has a maximum RS ratio of 1.1×10 6 , good switching and retention performances， and multilevel memory characteristics. Obvious light response and significant light switching characteristics at high resistance state were observed under the violet (405 nm) and red (650 nm) laser light. Both light-controlled RS and voltage-controlled light response are demonstrated in this device, which can be attributed to the Schottky barrier of Pt/Nb:SrTiO 3 interface and the electrons trapping/de-trapping by defects near the interface. Our work demonstrates the feasibility for making multilevel RS memories and using in multifunctional photoelectric sensors. 电阻变换 光响应 肖特基结 载流子束缚/解束缚 resistive switching light response Schottky junction charge carriers trapping/de-trapping 0　 引 言 1 当前，传统的非易失性存储器——闪存面临着操作速度慢、小型化极限等瓶颈，而快速发展的信息技术对存储器性能提出了更高的要求。电阻变换（resistive switching，RS，以下简称阻变）存储器具有高操作速度、高存储密度、低功耗等优点，是极具潜力的新型非易失性存储器 ［ 1 1 ］ 。 目前，研究人员已经在多种材料中发现了阻变现象，但是对阻变机理的解释却不尽相同，包括导电细丝的形成/断裂 ［ 2 2 ， 3 3 ］ 、氧空位的迁移 ［ 2 2 ， 3 3 ］ 、载流子的束缚/解束缚 ［ 2 2 ， 3 3 ］ 等，这阻碍了阻变存储器的大规模应用。而材料的阻变效应同应变、光照、磁场等的耦合蕴含了丰富的物理内涵，这有助于揭示阻变效应的内在机理，同时有望被应用于新型多功能电子器件 ［ 4 4 ~ 12 12 4~12 ］ 。例如，Luo等 ［ 5 5 ］ 在Pt/CZO/Nb：SrTiO 3 （NSTO）中观察到电场对阻变、磁性、光响应的同时调控；Wang等 ［ 11 11 ］ 在Au/BiFeO 3 /La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 /SrTiO 3 异质结中实现了对阻变效应的电光双调制；Hu等 ［ 12 12 ］ 在NSTO铁电隧道结中实现了光对阻变效应的调控以及电场对光伏效应的调控。 NSTO是一种n型掺杂的半导体，基于NSTO的异质结展现出丰富的物理特性 ［ 13 13 ］ ，其中就包括电阻变换效应 ［ 14 14 ， 15 15 ］ 。虽然基于金属/NSTO的肖特基结的电阻变换行为已经有一些报道，但是其阻变机理依旧不是很明确。在已发表的文献中，基于金属/NSTO的肖特基结的阻变机理大致可以分为4类：1） 肖特基结的势垒保持不变，阻变来源于隧穿通道的打开或关闭 ［ 16 16 ~ 18 18 16~18 ］ ；2） 在外加电压作用下，耗尽区中的电荷束缚/解束缚和/或者氧空位迁移，导致势垒分布被改变 ［ 19 19 ~ 21 21 19~21 ］ ；3） 势垒分布被界面层和/或者NSTO表面的电荷束缚/解束缚改变 ［ 22 22 ~ 24 24 22~24 ］ ；4） 在半导体耗尽区形成局部的导电细丝，而不改变肖特基势垒的分布 ［ 25 25 ］ 。阻变机理的不明确阻碍了金属/NSTO肖特基结阻变器件的应用，因此需要进一步明确此类器件的阻变机理。 基于文献［ 5 5 ， 11 11 ， 12 12 ］中的研究，本文制备了阻变性能优良的Pt/NSTO肖特基结，并通过测试器件的阻变、光响应特性及二者之间的关联，来探究Pt/NSTO肖特基结阻变器件产生阻变现象的机理。 1　 实验部分 1 1.1　材料及仪器 2 材料：0.7% 的Nb掺杂（100）取向的SrTiO 3 单晶（NSTO，单面抛光，大小为3 mm×3 mm×0.5 mm）购于中国科学院安徽光学精密机械研究所。 仪器：405 nm和650 nm激光器（全胜激光科技公司，功率均为50 mW、光斑直径均约为1 mm）；4200-SCS型半导体参数分析仪（美国Keithley公司）；FJL560 型磁控溅射仪（沈阳中科仪公司）。 1.2　实验方法 2 1.2.1　Pt/NSTO肖特基结的制备 3 利用孔径大小为0.2 mm的金属掩膜版，采用直流磁控溅射技术在质量分数为0.7% 的Nb掺杂（100）取向的SrTiO 3 单晶的抛光面上沉积金属Pt电极，构成Pt/NSTO肖特基结，随后在其未抛光面上焊接金属铟（In）并与之形成欧姆接触。磁控溅射的真空室本底真空度为10 -4 Pa，工作气体为Ar气，气压为1 Pa，溅射电流为50 mA，溅射时间为1 min。 1.2.2　性能测试 3 采用半导体参数分析仪测试材料的电学性能；采用波长分别为405 nm和650 nm的激光束以45°入射角照射Pt电极表面，以测试器件的光响应特性。 所有测试均在室温环境下进行。 2　 结果与讨论 1 2.1　Pt/NSTO的 I⁃V 特性 2 图1 图1 为Pt/NSTO器件的 I⁃V 及阻变特性。 图1 图1 （a）为器件的Forming过程和20次连续 I⁃V 扫描回线的半对数坐标图，插图为器件结构和测试电路的示意图。 I⁃V 扫描过程中，施加了100 mA的限制电流以防止器件被击穿。 I⁃V 回线的电压扫描顺序如图中的箭头所示：+2 V → 0 V → <math id="M1"><mo>-</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268388&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268385&type= 3.72533321 2.79399991 4 V → 0 V → +2 V。箭头“1”所示的扫描过程中，器件处于低阻态（low resistance state，LRS），“2”过程为器件的RESET过程，“3”过程中器件处于高阻态（high resistance state，HRS），“4”过程为器件的SET过程。从 图1 图1 （a）可以看出，经过一次正向电压下的Forming过程后，器件被SET到LRS，随后器件的 I⁃V 回线展现出典型的双极性电阻变换特性，并且20次连续 I⁃V 扫描回线几乎完全重合，表明器件具有很好的稳定性。同时可以看到在 I⁃V 扫描过程中，器件的电流是逐渐变化的，并没有出现突变，这表明器件中没有导电细丝的形成/断裂，而应该符合界面型的阻变模型 ［ 26 26 ］ 。 （a） Forming过程和20次连续 I⁃V 扫描回线的半对数坐标图（插图为器件结构和测试电路的示意图）；（b） 不同- V max 情况下的 I⁃V 扫描回线；（c） 不同阻态时器件的100次翻转特性；（d） 不同阻态时器件的1 000 s保持特性 （a） Semi-logarithmic coordinate diagram of forming process and 20 consecutive I⁃V sweeping loops (the illustration is the schematic diagram of the device structure and test circuit)； （b） I⁃V sweeping loops for different - V max ； （c） 100 switching characteristics of the device with different resistance states；（d） 1 000 s retention characteristics of the device with different resistance states 为了进一步研究器件的阻变特性，改变 I⁃V 扫描的最大反向电压，测试其 I⁃V 特性，结果如 图1 图1 （b）所示。 图1 图1 （b）中“1”~“4”箭头含义与 图1 图1 （a）相同，如箭头所示，电压的扫描顺序为+2 V→0 V→ <math id="M2"><mo>-</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268402&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268398&type= 3.72533321 2.79399991 V max →0 V→+2 V，- V max 依次设定为-1.0 V，-1.5 V， -2.0 V，-2.5 V，-3.0 V，-3.5 V，-4.0 V。从 图1 图1 （b）可以看出，随着- V max 逐渐增大，经RESET后，器件的电流逐渐减小，相应的电阻也就逐渐增大，这种特性使之有望被应用于多级阻变存储器中。同时，在器件的RESET过程中，当扫描电压高于-1 V时， I⁃V 曲线表现出微分负阻现象（negative differential resistance，NDR），即随着扫描电压增大，流过器件的电流反而减小。有研究表明，微分负阻的发生通常与异质结界面处缺陷对载流子的束缚/解束缚相关 ［ 5 5 ， 26 26 ， 27 27 ］ 。 2.2　Pt/NSTO的阻变特性 2 为了验证器件非易失性存储的可靠性，测试了器件的翻转和保持特性（ 图1 图1 （c））。如 图1 图1 （c）所示，器件的各个由不同RESET电压脉冲达到的阻态（HRS@-4 V和IRS（中间阻态）@-1.5 V）与LRS（@+2 V）之间经过100次翻转，各个阻态的阻值几乎没有退化，这表明器件具有较好的翻转性能。如 图1 图1 （d）所示，用+2 V的电压脉冲将器件SET到LRS，分别用-1.5 V、-4 V的电压脉冲将器件RESET到IRS、HRS，然后用-0.2 V的电压脉冲分别读取了各个阻态的1 000 s保持特性。由 图1 图1 （d）可见，经过1 000 s保持特性测试后，器件各个阻态的阻值均没有明显衰减，HRS/LRS、IRS/LRS分别为1.1×10 6 、160，器件具有较好的保持特性和较大的阻变倍率，有望用于多级数据存储。 2.3　Pt/NSTO的导电机制 2 对不同- V max 的 I⁃V 扫描回线进行拟合，以探究器件的导电机制和阻变机理，结果如 图2 图2 所示。通过使用各种 I⁃V 导电机制对器件的 I⁃V 曲线进行拟合分析，发现其正向高电压部分（约+0.6 ~+1.5 V）符合F-N隧穿 ［ 28 28 ］ ，由于界面电场可以写为 ［ 28 28 ］ （a,b） Region Ⅰ（ V < 1.1 V）和region Ⅱ （ V > 1.1 V）区域 I⁃V 曲线的F-N隧穿拟合；（c） I⁃V 曲线的正向小电压部分（ V < +0.8 V）的肖特基二极管模型拟合；（d） I⁃V 曲线的RESET过程的小电压部分以及HRS部分的肖特基发射拟合 （a,b） F-N tunneling fitting for the region Ⅰ（ V < 1.1 V） and region Ⅱ（ V > 1.1 V）of I⁃V curves；（c）fitting with Schottky diode model for the forward low voltage part （ V < + 0.8 V）of I⁃V curves；（d）Schottky emission fitting for the HRS parts and the low voltage part of the RESET process of I⁃V curves <math display="block" id="M3"><mi>E</mi><mo>=</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><msub><mrow><mi>N</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mi mathvariant="normal">q</mi><mi>V</mi></mrow><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="normal">ε</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mrow/></mroot></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268419&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268415&type= 22.69066620 9.73666668 其中， <math id="M4"><msub><mrow><mi>N</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268424&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268422&type= 4.06400013 3.81000018 是NSTO的载流子浓度（ <math id="M5"><msub><mrow><mi>N</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268434&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268430&type= 4.06400013 3.81000018 =2.4×10 20 cm -3［ 25 25 ］ ）； <math id="M6"><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268439&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268436&type= 2.28600001 3.72533321 是NSTO的介电常数（ <math id="M7"><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268449&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268442&type= 2.28600001 3.72533321 =50 ［ 25 25 ］ ）； <math id="M8"><mi mathvariant="normal">q</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268455&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268453&type= 1.86266661 3.64066648 是电子电荷量（ <math id="M9"><mi mathvariant="normal">q</mi><mo>=</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268463&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268459&type= 6.09599972 3.64066648 1.602×10 -19 C）； <math id="M10"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">ε</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268470&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268466&type= 2.70933342 3.72533321 是真空介电常数（ <math id="M11"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">ε</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>=</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268476&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268472&type= 7.19666672 3.72533321 8.854×10 -12 F/m）； V 为外加电压。 那么F-N隧穿电流的表达式可以写为 <math display="block" id="M12"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">F</mi><mi mathvariant="normal">N</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi mathvariant="normal">q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msup><msub><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>N</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mi>A</mi><mi>V</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn><mi mathvariant="normal">π</mi><mi mathvariant="normal">h</mi><msup><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msup><msub><mrow><mi mathvariant="normal">ε</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi 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mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268492&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268489&type= 4.14866638 3.64066648 ［ 25 25 ］ ）； <math id="M16"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268498&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268495&type= 4.14866638 3.64066648 是自由电子质量（ <math id="M17"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">9.109</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">31</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268505&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268502&type= 31.07266808 4.65666676 ； <math id="M18"><mi mathvariant="normal">h</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268511&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268508&type= 1.86266661 2.79399991 是普朗克常数（h=6.626×10 -34 J·s）； <math id="M19"><mi>A</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268517&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268514&type= 2.87866688 2.79399991 （m 2 ）是样品面积； <math id="M20"><msub><mrow><mi>Φ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268523&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268520&type= 4.40266657 3.72533321 是P/NSTO肖特基结的势垒高度。 由（2）式可以得到如下线性关系 <math display="block" id="M21"><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced open="|" close="|" separators="|"><mrow><mrow><mrow><mi>I</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><mi>V</mi></mrow></mrow></mrow></mfenced><mo>∝</mo><mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mo>/</mo><mrow><mroot><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow/></mroot></mrow></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268528&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268526&type= 29.04066658 4.65666676 该直线的斜率为 <math display="block" id="M22"><mi mathvariant="normal">S</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">e</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mfenced separators="|"><mrow><mrow><mrow><mn mathvariant="normal">8</mn><mi mathvariant="normal">π</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></mrow></mrow></mfenced><mroot><mrow><mrow><mrow><msup><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msup><msub><mrow><mi mathvariant="normal">ε</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub><msubsup><mrow><mi>Φ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msubsup></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mrow><mi>N</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></mrow></mrow></mrow><mrow/></mroot></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268532&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268531&type= 54.52533722 5.67266655 通过拟合直线斜率可以算出隧穿势垒高度 <math id="M23"><msub><mrow><mi>Φ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268537&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268535&type= 4.40266657 3.72533321 。 图2 图2 （a）和 图2 图2 （b）分别为 I⁃V 曲线正向高电压部分（大约+0.6 ~+1.5 V）的F-N隧穿分段拟合结果，电压处于+0.6~+1.1 V的区域为Region Ⅰ，处于+1.1~+1.5 V的区域为Region Ⅱ，两个区域 I⁃V 曲线的F-N隧穿拟合斜率不同。根据拟合的直线斜率算得的隧穿势垒如 表1 表1 所示，可以看到相同- V max 下，Region Ⅰ的隧穿势垒高于Region Ⅱ。同时，随着- V max 的增加，Region Ⅰ和Region Ⅱ的隧穿势垒都逐渐增大。这与上文中，随着- V max 逐渐增大，器件RESET后的电阻逐渐增大的结果是一致的。 2 写入电压/V 2 正向高电压部分(+0.6~+1.5 V) 的F-N隧穿拟合 2 正向小电压部分( V < +0.8 V)的肖特基二极管模型拟合 2 RESET的小电压部分及HRS部分的肖特基发射拟合 Region Ⅰ (+0.6~+1.1 V) Region Ⅱ (+1.1~+1.5 V) +2 (LRS) 0.39 0.31 0.49 0.50 -1 0.63 0.43 0.59 0.61 -1.5 (IRS) 0.76 0.47 0.64 0.69 -2 0.84 0.51 0.69 0.76 -2.5 0.92 0.54 0.75 0.80 -3 0.98 0.59 0.79 0.85 -3.5 1.01 0.62 0.79 0.88 -4 (HRS) 1.05 0.64 0.80 0.89 eV 如 图2 图2 （c）所示，器件的 I⁃V 曲线在正向小电压部分（小于+0.8 V）符合肖特基二极管正向电流特性 <math display="block" id="M24"><mi>I</mi><mo>=</mo><mi>A</mi><msup><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msup><msup><mrow><mi>T</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mo>-</mo><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">q</mi><msub><mrow><mi>Φ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="normal">k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub><mi>T</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">q</mi><mi>V</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><msub><mrow><mi mathvariant="normal">k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub><mi>T</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268546&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268543&type= 54.61000061 9.48266697 其中， <math id="M25"><msup><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268551&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268548&type= 3.72533321 3.04799986 是有效Richardson常数（ <math id="M26"><msup><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msup><mo>=</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268555&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268553&type= 8.21266651 3.04799986 156 （A/cm 2 ·K 2 ） ［ 25 25 ］ ）； <math id="M27"><mi>T</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268558&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268556&type= 2.53999996 2.79399991 是绝对温度； <math id="M28"><mi mathvariant="normal">q</mi><msub><mrow><mi>Φ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268562&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268560&type= 6.26533318 4.57200003 是肖特基势垒高度； <math id="M29"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268565&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268563&type= 3.38666677 3.64066648 是玻尔兹曼常数（ <math id="M30"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub><mo>=</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268567&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268566&type= 7.87400007 3.64066648 1.381×10 -23 J/K）； <math id="M31"><mi>n</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268571&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268569&type= 1.86266661 2.79399991 是理想因子。 通过拟合结果可以算出Pt/NSTO结的肖特基势垒高度，结果如 表1 表1 所示。与F-N隧穿拟合的结果相似，随着- V max 的增加，Pt/NSTO结的肖特基势垒逐渐增大。 对于器件的 I⁃V 曲线的RESET过程的小电压部分以及HRS部分，其电流可以用肖特基发射来描述（ 图2 图2 （d））： <math display="block" id="M32"><mi>I</mi><mo>=</mo><mi>A</mi><msup><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msup><msup><mrow><mi>T</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mo>-</mo><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">q</mi><msub><mrow><mi>Φ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="normal">k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub><mi>T</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">q</mi></mrow><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="normal">k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub><mi>T</mi></mrow></mfrac><mroot><mrow><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">q</mi><mi>V</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn><mi mathvariant="normal">π</mi><mi>d</mi><msub><mrow><mi mathvariant="normal">ε</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">p</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mrow/></mroot></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268573&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268572&type= 70.44266510 10.75266743 其中， <math id="M33"><mi>d</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268577&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268575&type= 2.20133328 2.79399991 是势垒宽度， <math id="M34"><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">p</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268579&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268578&type= 3.55599999 3.72533321 是电介质的光频介电常数。 通过肖特基发射拟合，可以算出Pt/NSTO结的肖特基势垒高度（如 表1 表1 ）。由 表1 表1 可以看到其结果与正向小电压部分用肖特基二极管模型拟合得到的势垒高度非常接近。上述导电机制均符合界面型的电导，这表明本文制备的Pt/NSTO器件符合界面型阻变 ［ 26 26 ］ 。 2.4　不同光照下Pt/NSTO的光响应特性 2 为了研究光照对Pt/NSTO非易失性存储器性能的影响，测试了器件在暗态和不同光照（405 nm紫色激光（3.06 eV）和650 nm红色激光（1.91 eV））条件下的 I⁃V 曲线（如 图3 图3 （a））。 图3 图3 （a）中1~4箭头含义与 图1 图1 （a）相同。由 图3 图3 （a）可见，暗态和光照下的曲线明显不重合。 图3 图3 （b）所示为器件分别被变换到HRS和LRS后，在光照下小电压区域（-0.6~+0.6 V）的 I⁃V 曲线。从 图3 图3 （b）可知，紫色光照下器件的HRS对应的开路电压为0.30 V，短路电流为-197.6 nA；红色光照下器件的HRS对应的开路电压近似为0 V，短路电流为-7.6 nA。 （a）器件在暗态和不同光照条件下的 I⁃V 曲线；（b）光照情况下HRS和LRS时小电压区域（-0.6~+0.6 V）的 I⁃V 曲线； （c）光照情况下开路电压 V oc 随脉冲写入电压 V p 的变化；（d）暗态和光照情况下电阻随脉冲写入电压的变化 （a） I⁃V curves of the device in dark and under light illumination；（b） I⁃V curves in low voltage region（-0.6~+0.6 V） of the device under light at HRS and LRS；（c）the variation of open-circuit voltage V oc of the device under illumination with writing voltage pulses V p ；（d）the variation of resistances of the device in dark and under illumination with writing voltage pulses 紫色光照下的光响应更强，这是由于光子能量不同造成的。在加光照时，考虑到使用的单色光的能量（3.06 eV和1.91 eV）均低于NSTO的禁带宽度（E g =3.2 eV ［ 29 29 ］ ），光电子不会来自于NSTO中电子的跨禁带跃迁。通常，Pt和NSTO界面处会形成缺陷态，因此器件的光电流 I sc 应该是由光激发缺陷态形成的光生载流子，在NSTO耗尽层的内建电场作用下漂移所形成。由于紫光光子能量较高，能激发更多的光生载流子，因此其造成的光电流更大。 为了研究Pt/NSTO的阻变与光响应之间的联系，用不同的电压脉冲对器件进行写入，接着读取器件在光照下的开路电压 V oc （ 图3 图3 （c）），然后用-0.2 V电压脉冲读取器件在暗场和光照下的电阻（ 图3 图3 （d））。由 图3 图3 （d）和 图3 图3 （c）可知，光照使HRS阻值显著减小；随着正向写入电压逐渐增大，器件逐渐转变到LRS，同时开路电压逐渐减小至几乎为零；而随反向写入电压的升高，器件电阻和开路电压逐渐增大。这表明器件电阻与开路电压相互关联。 2.5　不同阻态下Pt/NSTO的光响应特性 2 图4 图4 给出了光照下器件各阻态电阻值的变化及各阻态下的光电流 I sc 。 图4 图4 （a）所示为光照对器件翻转特性的影响， 图4 图4 （b）所示为-0.2 V条件下，器件各阻态阻值的光开关特性。由 图4 图4 （a）和 图4 图4 （b）可见，相比于暗态的电阻和电流，处于HRS的器件在加光照后，电阻明显减小，电流明显增大，表明处于HRS的器件光响应显著。由 图4 图4 （b）可知，处于HRS的器件在红色光照下的阻值为17 MΩ，减小至暗态下阻值的约1/5；在紫色光照下的阻值约为950 kΩ，减小至暗态下阻值的约1/90，均具有显著的光开关特性。处于HRS时，红色光照下-0.2 V电压脉冲读取的电流为-11.8 nA，大致等于暗态下的电流（-2.4 nA）与短路光电流（-7.6 nA）之和；紫色光照下-0.2 V电压脉冲读取的电流为-210.5 nA，也大致等于暗态下的电流（-2.4 nA）与短路光电流（-197.6 nA）之和，所以是光电流导致了HRS时明显的光开关特性。而LRS和IRS几乎不受光照的影响，这是因为处于LRS和IRS时，器件本身的阻值较小，电流较大，掩盖了光电流对器件阻值的影响，因而仅在HRS下观察到明显的光调控现象。这种光照对器件电阻的调控以及电压脉冲对器件电阻和光响应特性的同时调控有望应用于多功能光电子器件中。 （a）光照对器件翻转特性的影响；（b）器件各阻态阻值的光开关特性；红色光（c）和紫色光（d）照射条件下器件各阻态光电流的开关特性 (a) Influence of illumination on switching characteristics of the device；(b) light switching characteristics of each resistance values of the device；switching characteristics of photocurrents of the device at different resistance states under (c) red and (d) purple light illumination 图4 图4 （c）和 图4 图4 （d）反映了各阻态光电流的光开关特性。从 图4 图4 （c）和 图4 图4 （d）中可以看到，使用同一个光源照射时，不同阻态下器件的光电流大小几乎一样，在以往的文献中也有类似的报道 ［ 30 30 ］ ， 这归因于界面势垒的空间不均匀分布。也就是说，在电阻变换的过程中，只有局部的界面发生势垒的改变，器件的电阻由局部的势垒改变决定，而光响应强弱由器件整体的势垒决定。 由 图4 图4 （c）可知，红色光照下，处于LRS的器件在暗场下也有较大的 <math id="M35"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268587&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268586&type= 3.04799986 3.72533321 ，表明其并非处于平衡态。LRS的载流子输运更加依靠局部的隧穿，肖特基势垒上的电压降会减小，所以测量得到LRS的 <math id="M36"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268589&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268588&type= 4.99533367 3.81000018 会比HRS的 <math id="M37"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268591&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268590&type= 4.99533367 3.81000018 小很多，可以用等效电路来描述上述效应（如 图5 图5 ）。 图5 图5 中， <math id="M38"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268593&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268592&type= 3.81000018 3.72533321 和 <math id="M39"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268595&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268594&type= 3.38666677 3.72533321 分别是耗尽区的分流电阻和界面层的串联电阻。电路中电流为 <math display="block" id="M40"><mi>I</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mfenced open="{" close="}" separators="|"><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">q</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>V</mi><mo>-</mo><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mi>I</mi></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi>n</mi><msub><mrow><mi mathvariant="normal">k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfenced><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mo>-</mo><msub><mrow><mi mathvariant="normal">R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mi>I</mi></mrow><mrow><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>-</mo><msubsup><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268600&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268599&type= 74.42200470 11.93799973 其中， <math id="M41"><msubsup><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268602&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268601&type= 3.38666677 3.97933340 是理想光电流； <math id="M42"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268604&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268603&type= 2.37066674 3.72533321 是反向偏压下的理想饱和电流。由于 <math id="M43"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268607&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268606&type= 2.37066674 3.72533321 很小，上式中右边的第一项可以忽略，所以 <math display="block" id="M44"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><msubsup><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268609&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268608&type= 32.59666443 8.46666718 <math display="block" id="M45"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><msubsup><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268611&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268610&type= 20.15066719 4.06400013 其中， <math id="M46"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268613&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268612&type= 6.68866634 3.72533321 和 <math id="M47"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268615&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268614&type= 7.53533316 3.81000018 分别对应短路电流 <math id="M48"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268617&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268616&type= 3.04799986 3.72533321 和开路电压 <math id="M49"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268621&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268619&type= 4.99533367 3.81000018 。 由于电阻变换时，Pt/NSTO结的势垒只发生局域的改变， <math id="M50"><msubsup><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">p</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">*</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268625&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268623&type= 3.38666677 3.97933340 几乎不变，因此（7）式中 <math id="M51"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268628&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268627&type= 7.53533316 3.81000018 会正比于 <math id="M52"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268632&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268630&type= 3.81000018 3.72533321 ，如果 <math id="M53"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268635&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268633&type= 3.81000018 3.72533321 与阻变倍率（HRS与LRS电阻值之比）成正比， <math id="M54"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268639&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268637&type= 7.53533316 3.81000018 （LRS）与 <math id="M55"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268642&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268640&type= 7.53533316 3.81000018 （HRS）之比会小于1/（1.1×10 6 ）=0.9×10 -6 。所以器件从HRS变换到LRS时， <math id="M56"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268646&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268644&type= 4.99533367 3.81000018 减小至几乎为零，这很大程度上是由于LRS的局部隧穿效应较强， <math id="M57"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268651&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268648&type= 3.81000018 3.72533321 减小造成的。 2.6　对Pt/NSTO阻变及光响应现象的解释 2 综合以上的实验结果与分析，上述阻变及光响应现象可采用界面附近缺陷对电子的束缚/解束缚机制来解释（如 图6 图6 ）。 图6 图6 中， E FM 为Pt的费米能级， E FS 为NSTO的费米能级， E C 为NSTO的导带， W D 为耗尽层宽度，q V bi 为内建电场，ν为辐射电磁波的频率。Pt/NSTO界面缺陷可能来源于金属生长导致的缺陷和/或者畸变、氧空位堆积、表面原子重排、晶格失配导致的应力梯度等 ［ 14 14 ］ 。如 图6 图6 （a）所示，Pt/NSTO界面附近的缺陷会形成活跃的电子束缚层 ［ 19 19 ］ ，同时Pt（功函数 W =5.65 eV ［ 31 31 ］ ）和NSTO（禁带宽度 E g =3.2 eV， W =4.08 eV，电子亲和能 χ =4 eV ［ 29 29 ］ ）的界面处会形成肖特基势垒，该势垒和界面附近的缺陷束缚/解束缚电子决定了器件的阻变特性 ［ 32 32 ， 33 33 ］ 。 如 图6 图6 （b）所示，当施加到Pt电极上的正向电压足够大时，Pt/NSTO界面附近的缺陷中束缚的电子会被拽出，这会使界面势垒降低，耗尽层变窄，器件变换到LRS ［ 19 19 ， 20 20 ］ 。 如 图6 图6 （c）所示，当反向电压施加到Pt电极时，Pt中的电子会向界面注入，并被界面附近的缺陷束缚，这会导致界面势垒逐渐升高，耗尽层变宽，器件的电阻则逐渐增大。如 图6 图6 （d）所示，当加光照时，如2.4节所述由于本文使用的单色光的能量低于NSTO的禁带宽度，不会引起NSTO中电子的跨禁带跃迁，而由于界面态的存在，光会激发界面态产生光生载流子，并在NSTO耗尽层的内建电场作用下形成光电流。不同阻态下光电流大小几乎一样，表明阻变可能是局部势垒改变导致的，而光响应则由整体势垒决定。由于高、低阻态的电阻之比约为1.1 <math id="M58"><mo>×</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268661&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6268659&type= 3.72533321 2.79399991 10 6 ，而光电流几乎不变，由（7）式可知，开路电压近似正比于器件的电阻。这就解释了 图3 图3 （c）中 V oc 的变化。 3　 结 语 1 采用磁控溅射技术制备了Pt/NSTO肖特基结器件。器件具有优良的阻变特性，其翻转特性良好，经过1 000 s的保持测试，各阻态的阻值没有明显的衰减，保持特性良好，HRS/LRS的倍率为1.1×10 6 ，IRS/LRS的倍率为160，有望用于多级数据存储。对器件施加紫色（405 nm）和红色（650 nm）光照，发现器件均有明显的光响应现象，并且紫色光照下的光响应更强，这是由于光子能量不同造成的。同时，两种光对器件的HRS的阻值有明显的调控作用，紫光和红光照射下，HRS的光开关比分别为90和5。分析表明，器件的界面势垒可能是由于Pt/NSTO界面势垒的空间不均匀分布，在外加电压时，界面局部的缺陷束缚/解束缚电子使得局部的界面势垒发生改变，这导致了器件的阻变效应。器件的光电流不随电阻变换而改变，器件的开路电压的变化取决于器件的电阻。这种电压及光照对器件电阻的调控有望应用于多功能光电子器件的研发中。 参考文献 MEIJER G I . Materials science： Who wins the nonvolatile memory race？ ［J］. Science ， 2008 ， 319 （ 5870 ）： 1625 - 1626 . DOI： 10.1126/science.1153909 http://dx.doi.org/10.1126/science.1153909 . Materials science： Who wins the nonvolatile memory race？ WASER R ， DITTMANN R ， STAIKOV G ， et al . Redox-based resistive switching memories-nanoionic mechanisms， prospects， and challenges ［J］. Advanced Materials ， 2009 ， 21 （ 25-26 ）： 2632 - 2663 . DOI： 10.1002/adma.200900375 http://dx.doi.org/10.1002/adma.200900375 . Redox-based resistive switching memories-nanoionic mechanisms， prospects， and challenges JEONG D S ， THOMAS R ， KATIYAR R S ， et al . Emerging memories： Resistive switching mechanisms and current status ［J］. Reports on Progress in Physics ， 2012 ， 75 （ 7 ）： 076502 . DOI： 10.1088/0034-4885/75/7/076502 http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/75/7/076502 . Emerging memories： Resistive switching mechanisms and current status SCHWEIGER S ， PFENNINGER R ， BOWMAN W J ， et al . Designing strained interface heterostructures for memristive devices ［J］. Advanced Materials ， 2017 ， 29 （ 15 ）： 1605049 . DOI： 10.1002/Adma.201605049 http://dx.doi.org/10.1002/Adma.201605049 . Designing strained interface heterostructures for memristive devices LUO Z P ， PEI L ， LI M Y ， et al . Electric field-induced resistive switching， magnetism， and photoresponse modulation in a Pt/Co 0.03 Zn 0.97 O/Nb：SrTiO 3 multi-function heterostructure ［J］. Applied Physics Letters ， 2018 ， 112 （ 15 ）： 153504 . DOI： 10.1063/1.5019786 http://dx.doi.org/10.1063/1.5019786 . Electric field-induced resistive switching， magnetism， and photoresponse modulation in a Pt/Co0.03Zn0.97O/Nb：SrTiO3 multi-function heterostructure BANDOPADHYAY K ， PRAJAPATI K N ， MITRA J . Resistive switching in individual ZnO nanorods： Delineating the ionic current by photo-stimulation ［J］. Nanotechnology ， 2018 ， 29 （ 10 ）： 105701 . DOI： 10.1088/1361-6528/Aaa63f http://dx.doi.org/10.1088/1361-6528/Aaa63f . Resistive switching in individual ZnO nanorods： Delineating the ionic current by photo-stimulation FAN H ， CHEN C ， FAN Z ， et al . Resistive switching and photovoltaic effects in ferroelectric BaTiO 3 -based capacitors with Ti and Pt top electrodes ［J］. Applied Physics Letters ， 2017 ， 111 （ 25 ）： 252901 . DOI： 10.1063/1.4999982 http://dx.doi.org/10.1063/1.4999982 . Resistive switching and photovoltaic effects in ferroelectric BaTiO3-based capacitors with Ti and Pt top electrodes ZHENG M ， NI H ， HUANG W Y ， et al . Optically and electrically co-controlled resistance switching in complex oxide heterostructures ［J］. Applied Physics Letters ， 2017 ， 111 （ 17 ）： 172901 . DOI： 10.1063/1.4986864 http://dx.doi.org/10.1063/1.4986864 . Optically and electrically co-controlled resistance switching in complex oxide heterostructures KAWASHIMA T ， ZHOU Y ， YEW K S ， et al . Optical reset modulation in the SiO 2 /Cu conductive-bridge resistive memory stack ［J］. Applied Physics Letters ， 2017 ， 111 （ 11 ）： 113505 . DOI： 10.1063/1.5003107 http://dx.doi.org/10.1063/1.5003107 . Optical reset modulation in the SiO2/Cu conductive-bridge resistive memory stack LU Z X ， YANG X D ， JIN C ， et al . Nonvolatile electric-optical memory controlled by conductive filaments in Ti-doped BiFeO 3 ［J］. Advanced Electronic Materials ， 2018 ， 4 （ 2 ）： 1700551 . DOI： 10.1002/aelm.201700551 http://dx.doi.org/10.1002/aelm.201700551 . Nonvolatile electric-optical memory controlled by conductive filaments in Ti-doped BiFeO3 WANG L ， JIN K J ， GE C ， et al . Electro-photo double modulation on the resistive switching behavior and switchable photoelectric effect in BiFeO 3 films ［J］. Applied Physics Letters ， 2013 ， 102 （ 25 ）： 252907 . DOI： 10.1063/1.4812825 http://dx.doi.org/10.1063/1.4812825 . Electro-photo double modulation on the resistive switching behavior and switchable photoelectric effect in BiFeO3 films HU W J ， WANG Z H ， YU W L ， et al . Optically controlled electroresistance and electrically controlled photovoltage in ferroelectric tunnel junctions ［J］. Nature Communications ， 2016 ， 7 （ 10808 ）： 1 - 9 . DOI： 10808.10.1038/Ncomms10808 http://dx.doi.org/10808.10.1038/Ncomms10808 . Optically controlled electroresistance and electrically controlled photovoltage in ferroelectric tunnel junctions PAI Y Y ， TYLAN-TYLER A ， IRVIN P ， et al . Physics of SrTiO 3 -based heterostructures and nanostructures： A review ［J］. Reports on Progress in Physics ， 2018 ， 81 （ 3 ）： 036503 . DOI： 10.1088/1361-6633/Aa892d http://dx.doi.org/10.1088/1361-6633/Aa892d . Physics of SrTiO3-based heterostructures and nanostructures： A review FAN Z ， FAN H ， YANG L ， et al . Resistive switching induced by charge trapping/detrapping： A unified mechanism for colossal electroresistance in certain Nb：SrTiO 3 -based heterojunctions ［J］. Journal of Materials Chemistry C ， 2017 ， 5 （ 29 ）： 7317 - 7327 . DOI： 10.1039/c7tc02197f http://dx.doi.org/10.1039/c7tc02197f . Resistive switching induced by charge trapping/detrapping： A unified mechanism for colossal electroresistance in certain Nb：SrTiO3-based heterojunctions MIKHEEV E ， HOSKINS B D ， STRUKOV D B ， et al . Resistive switching and its suppression in Pt/Nb：SrTiO 3 junctions ［J］. Nature Communications ， 2015 ， 6 （ 10128 ）： 1 - 8 . DOI： 10.1038/ncomms4990 http://dx.doi.org/10.1038/ncomms4990 . Resistive switching and its suppression in Pt/Nb：SrTiO3 junctions FUJII T ， KAWASAKI M ， SAWA A ， et al . Electrical properties and colossal electroresistance of heteroepitaxial SrRuO 3 /SrTi 1- x Nb x O 3 （0.0002≤ x ≤0.02） Schottky junctions ［J］. Physical Review B ， 2007 ， 75 （ 16 ）： 165101 . DOI： 10.1103/PhysRevB.75.165101 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.75.165101 . Electrical properties and colossal electroresistance of heteroepitaxial SrRuO3/SrTi1-xNbxO3（0.0002≤x≤0.02） Schottky junctions SHANG D S ， SUN J R ， SHI L ， et al . Electronic transport and colossal electroresistance in SrTiO 3 ：Nb-based Schottky junctions ［J］. Applied Physics Letters ， 2009 ， 94 （ 5 ）： 052105 . DOI： 10.1063/1.3077615 http://dx.doi.org/10.1063/1.3077615 . Electronic transport and colossal electroresistance in SrTiO3：Nb-based Schottky junctions SHANG D S ， SUN J R ， SHI L ， et al . Photoresponse of the Schottky junction Au/SrTiO 3 ：Nb in different resistive states ［J］. Applied Physics Letters ， 2008 ， 93 （ 10 ）： 102106 . DOI： 10.1063/1.2978240 http://dx.doi.org/10.1063/1.2978240 . Photoresponse of the Schottky junction Au/SrTiO3：Nb in different resistive states CHEN X G ， MA X B ， YANG Y B ， et al . Comprehensive study of the resistance switching in SrTiO 3 and Nb-doped SrTiO 3 ［J］. Applied Physics Letters ， 2011 ， 98 （ 12 ）： 122102 . DOI： 10.1063/1.3569586 http://dx.doi.org/10.1063/1.3569586 . Comprehensive study of the resistance switching in SrTiO3 and Nb-doped SrTiO3 YAN Z B ， LIU J M . Coexistence of high performance resistance and capacitance memory based on multilayered metal-oxide structures ［J］. Scientific Reports ， 2013 ， 3 （ 2482 ）： 1 - 7 . DOI： 10.1038/srep02482 http://dx.doi.org/10.1038/srep02482 . Coexistence of high performance resistance and capacitance memory based on multilayered metal-oxide structures PARK J ， KWON D ， PARK H ， et al . Role of oxygen vacancies in resistive switching in Pt/Nb-doped SrTiO 3 ［J］. Applied Physics Letters ， 2014 ， 105 （ 18 ）： 183103 . DOI： 10.1063/1.4901053 http://dx.doi.org/10.1063/1.4901053 . Role of oxygen vacancies in resistive switching in Pt/Nb-doped SrTiO3 PARK C ， SEO Y ， JUNG J ， et al . Electrode-dependent electrical properties of metal/Nb-doped SrTiO 3 junctions ［J］. Journal of Applied Physics ， 2008 ， 103 （ 5 ）： 054106 . DOI： 10.1063/1.2872707 http://dx.doi.org/10.1063/1.2872707 . Electrode-dependent electrical properties of metal/Nb-doped SrTiO3 junctions BOURIM E ， KIM Y ， KIM D W . Interface state effects on resistive switching behaviors of Pt/Nb-doped SrTiO 3 single-crystal Schottky junctions ［J］. ECS Journal of Solid State Science and Technology ， 2014 ， 3 （ 7 ）： N95 - N101 . DOI： 10.1149/2.0081407jss http://dx.doi.org/10.1149/2.0081407jss . Interface state effects on resistive switching behaviors of Pt/Nb-doped SrTiO3 single-crystal Schottky junctions MIKHEEV E ， HWANG J ， KAJDOS A P ， et al . Tailoring resistive switching in Pt/SrTiO 3 junctions by stoichiometry control ［J］. Scientific Reports ， 2015 ， 5 （ 11079 ）： 1 - 11 . DOI： 10.1038/srep11079 http://dx.doi.org/10.1038/srep11079 . Tailoring resistive switching in Pt/SrTiO3 junctions by stoichiometry control WANG Y H ， ZHAO K H ， SHI X L ， et al . Investigation of the resistance switching in Au/SrTiO 3 ：Nb heterojunctions ［J］. Applied Physics Letters ， 2013 ， 103 （ 3 ）： 031601 . DOI： 10.1063/1.4813622 http://dx.doi.org/10.1063/1.4813622 . Investigation of the resistance switching in Au/SrTiO3：Nb heterojunctions ZHAO M ， ZHU Y D ， WANG Q W ， et al . Electric field-induced coexistence of nonvolatile resistive and magnetization switching in Pt/NiO/Nb：SrTiO 3 heterostructure ［J］. Applied Physics Letters ， 2016 ， 109 （ 1 ）： 013504 . DOI： 10.1063/1.4955466 http://dx.doi.org/10.1063/1.4955466 . Electric field-induced coexistence of nonvolatile resistive and magnetization switching in Pt/NiO/Nb：SrTiO3 heterostructure WANG P C ， LI P G ， ZHI Y S ， et al . Bias tuning charge-releasing leading to negative differential resistance in amorphous gallium oxide/Nb：SrTiO 3 heterostructure ［J］. Applied Physics Letters ， 2015 ， 107 （ 26 ）： 262110 . DOI： 10.1063/1.4939437 http://dx.doi.org/10.1063/1.4939437 . Bias tuning charge-releasing leading to negative differential resistance in amorphous gallium oxide/Nb：SrTiO3 heterostructure KRAYA R A ， KRAYA L Y . The role of contact size on the formation of Schottky barriers and ohmic contacts at nanoscale metal-semiconductor interfaces ［J］. Journal of Applied Physics ， 2012 ， 111 （ 6 ）： 064302 . DOI： 10.1063/1.3693542 http://dx.doi.org/10.1063/1.3693542 . The role of contact size on the formation of Schottky barriers and ohmic contacts at nanoscale metal-semiconductor interfaces ZHAO L N ， LU Z X ， ZHANG F Y ， et al . Current rectifying and resistive switching in high density BiFeO 3 nanocapacitor arrays on Nb-SrTiO 3 substrates ［J］. Scientific Reports ， 2015 ， 5 （ 9680 ）： 1 - 6 . DOI： 10.1038/Srep09680 http://dx.doi.org/10.1038/Srep09680 . Current rectifying and resistive switching in high density BiFeO3 nanocapacitor arrays on Nb-SrTiO3 substrates SHANG D S ， SUN J R ， SHI L ， et al . Resistance dependence of photovoltaic effect in Au/SrTiO 3 ：Nb（0.5wt%） Schottky junctions ［J］. Applied Physics Letters ， 2008 ， 93 （ 17 ）： 172119 . DOI： 10.1063/1.3009285 http://dx.doi.org/10.1063/1.3009285 . Resistance dependence of photovoltaic effect in Au/SrTiO3：Nb（0.5wt%） Schottky junctions KIM B ， CHOI S H ， ZHU X Y ， et al . Molecular tunnel junctions based on p-conjugated oligoacene thiols and dithiols between Ag， Au， and Pt contacts： Effect of surface linking group and metal work function ［J］. Journal of the American Chemical Society ， 2011 ， 133 （ 49 ）： 19864 - 19877 . DOI： 10.1021/ja207751w http://dx.doi.org/10.1021/ja207751w . Molecular tunnel junctions based on p-conjugated oligoacene thiols and dithiols between Ag， Au， and Pt contacts： Effect of surface linking group and metal work function WANG Q W ， ZHU Y D ， LIU X L ， et al . Electric field modulation of resistive switching and related magnetism in the Pt/NiFe 2 O 4 /Nb：SrTiO 3 heterostructures ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2017 ， 693 （ 2 ）： 945 - 949 . DOI： 10.1016/j.jallcom.2016.09.248 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.09.248 . Electric field modulation of resistive switching and related magnetism in the Pt/NiFe2O4/Nb：SrTiO3 heterostructures WANG Q W ， ZHU Y D ， LIU X L ， et al . Study of resistive switching and magnetism modulation in the Pt/CoFe 2 O 4 /Nb：SrTiO 3 heterostructures ［J］. Applied Physics Letters ， 2015 ， 107 （ 6 ）： 063502 . DOI： 10.1063/1.4928337 http://dx.doi.org/10.1063/1.4928337 . Study of resistive switching and magnetism modulation in the Pt/CoFe2O4/Nb：SrTiO3 heterostructures 10.14188/j.1671-8836.2019.0167 O469 A 1671-8836（2020）06-0552-09 XIE Shuai,LI Meiya,ZHANG Yuan.Resistive Switching and Light Response Characteristics of the Pt/Nb:SrTiO 3 Schottky Junction [J]. J Wuhan Univ （ Nat Sci Ed ）,2020,66(6):552-560. DOI: 10.14188/j.1671-8836.2019.0167 http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8836.2019.0167 (Ch). XIE Shuai,LI Meiya,ZHANG Yuan.Resistive Switching and Light Response Characteristics of the Pt/Nb:SrTiO3 Schottky Junction [J].J Wuhan Univ（Nat Sci Ed）,2020,66(6):552-560. DOI:10.14188/j.1671-8836.2019.0167(Ch). 谢帅,李美亚,张源.Pt/Nb：SrTiO 3 肖特基结的电阻变换效应和光响应特性[J].武汉大学学报（理学版）,2020,66(6):552-560. DOI:10.14188/j.1671-8836.2019.0167 谢帅,李美亚,张源.Pt/Nb：SrTiO3肖特基结的电阻变换效应和光响应特性[J].武汉大学学报（理学版）,2020,66(6):552-560. DOI:10.14188/j.1671-8836.2019.0167 湖北省教育厅青年人才项目（Q20181903）；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目（T201712） 2019-06-30 2020-12-24 2021-01-26 武汉大学学报（理学版） 6 66