Orientador: Prof. Dr. Gustavo Martini Dalpian / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2015. / A propriedade de chaveamento da resitência ou memoristiva é a habilidade de um material de alterar seu estado de resistência elétrica devido a um campo elétrico. O memoristor é um dispositivo de dois terminais com tal propriedade capaz de armazenar informação através de sua resistência, constituído de uma estrutura metal/isolante/metal. Este dispositivo pode revolucionar a indústria de memórias por apresentar tempos de chaveamento rápidos e de retenção longos, assim como altas densidades. Entretanto, seu princípio de funcionamento não é totalmente entendido a nível atômico, logo sua aplicação é impedida. Dois mecanismos são propostos: o mecanismo de difusão-deriva de íons afirma que campos elétricos e gradientes de temperatura formam e dissolvem canais condutores, alterando a resistividade. Por outro lado, modelos eletrônicos consideram o aprisionamento e liberação de cargas como causa da mudança da resistividade. Neste trabalho utilizamos uma abordagem heurística¿cálculos de teoria do funcional da densidade e soluções numéricas¿para entender os processos ocorrendo em escala atômica no interior de dispositivos baseados em TiO2. Os resultados mostram que a dificência em oxigênio neste caso leva à formação de fases TinO2n..1 que apresentam uma banda intermediária, a qual pode se tornar carregada quando propriamente interfaceada. A resolução numérica da equação de Poisson apresenta múltiplas soluções relacionadas a diferentes estados de resistência, estas soluções são usadas em um código de transmissão que fornece curvas teóricas i X V para o memoristor. / The resistive switching or memristive property is the ability of a material to change its electrical resistance due to the application of an electric field. The memristor is a two-terminal device with this property that is capable of storing information as its resistance state, being architectured in a metal/insulator/metal stacking. This device can revolutionize the memory industry by providing fast switching and large retention times as well as high-density capabilities. However, its working principle is not completely understood at an atomic level, thus its application as next-generation resistive memories is hindered. Two mechanisms are proposed: ion drift mechanisms claim that the electric field and temperature gradients inside the device can form and dissolve a conducting filament, changing the electrical resistivity. On the other hand, electronic models consider charge trapping and de-trapping inside the insulator layer as the cause of the resistivity change. In this work we use a heuristic computational approach¿density functional theory calculations and other numerical solutions¿to understand the processes developing at the atomic scale inside TiO2-based devices. Our results show that the oxygen deficiency in this material leads to the formation of a series of phases TinO2n..1 that present an intermediate band which can become charged when properly interfaced. The self-consistent-numerical solver of the Poisson equation shows multiple solutions that are related to the resistance states, and finally the potential is used in a transmission code that results in theoretical i X V curves for the memristor.

Orientadores: Gilberto Medeiros Ribeiro, Mônica Alonso Cotta / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T12:21:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FernandezSiles_PabloRoberto_D.pdf: 92147655 bytes, checksum: 90f1bd2777802f404d54c2932a48220c (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Os mecanismos de confinamento e transporte em escala nanométrica continuam a ser um desafio em Física do Estado Sólido, uma vez que tanto a dimensionalidade quanto o tamanho dos dispositivos continuam a ser reduzidos. Desta forma, o estudo e entendimento do transporte em materiais amorfos e nano-cristalinos, que apresentam acoplamento de processos de transporte eletrônico e iônico é de grande relevância atualmente. Neste sentido, aplicações tecnológicas que incluem desde o desenvolvimento de sensores (TiO2) até a fabricação de novos dispositivos de memórias com características não voláteis ¿ dispositivos memoristores ¿ podem ser citadas. Esta tese consiste no estudo de propriedades de transporte em nanoestruturas semicondutoras. Dois tipos de estruturas são investigados: i) pontos quânticos autoformados de InAs sobre substratos de GaAs, e ii) dispositivos memoristores produzidos por meio de litografia por oxidação anódica local (LAO), considerando estruturas do tipo Ti-TiO2-Ti. Técnicas de Espectroscopia de Capacitância, considerando fatores de tipo estrutural (barreira de tunelamento) e experimental (temperatura, frequência e voltagem), podem ser utilizadas para a determinação dos mecanismos de transporte, densidades de estados, concentração de impurezas etc, no caso do sistema III-V InAs/GaAs. No caso do TiO2, crescido por meio de Sputtering DC, processos de caracterização permitem apontar características ópticas, por meio de Elipsometria, características estruturais, por Microscopia de Força Atômica (AFM) e Difração de Raio-X (XRD), e a composição química, por Espectroscopia de Fotoelétrons por Raio-X (XPS) e Retro-Espalhamento Rutherford (RBS). Finalmente, a litografia por oxidação anódica local pormeio de AFM permite desenhar as estruturas do tipo metal-óxido-metal, que apresentam características elétricas de chaveamento entre estados de alta e baixa condutividade, dependentes da frequência ¿ sinais típicos do comportamento memoristivo. O estudo dos pontos quânticos permite calibrar os mecanismos de transporte por meio de Espectroscopia de Capacitância. Já os dispositivos memoristores, conformados por estruturas planares, e fabricados neste trabalho por meio de litografia por oxidação local, permitem identificar importantes características elétricas retificadoras que apresentam um comportamento elétrico não volátil. Estas características memoristivas são promissoras, pois possibilitam avançar no entendimento e fabricação de um novo tipo de dispositivos com o potencial de se tornar uma nova geração de dispositivos de memória não voláteis / Abstract: As the dimension and size of electronic devices continue to be reduced, confinement and transport mechanisms at nanometric scale remains nowadays as a great challenge in Solid State Physics. Thus, the study and understanding of transport processes in amorphous and nanocrystalline materials ¿ characterized by the coupling of electronic and ionic behavior ¿ becomes highly relevant currently. Technological applications comprise for example the development of sensors (TiO2) and the fabrication of new memory devices with non volatile characteristics ¿ memristor devices. This thesis is intended to study transport properties in semiconducting nanostructures. Two different kinds of structures are investigated: i) self-assembled InAs quantum dots grown on GaAs substrates and ii) memristor devices produced by means AFM Local Anodic Oxidation Lithography (LAO), considering planar Ti-TiO2-Ti structures. Considering structural (tunneling barrier) as well as experimental factors (temperature, frequency and gate bias), Capacitance Spectroscopy is implemented here. This technique supplies information for the determination of transport mechanisms, density os states, concentration of impurities etc, considering the III-V system (InAs/GaAs). In the case of the TiO2 thin films are prepared by means of Sputtering DC. A characterization process permits to point out optical properties, by means of Elipsometry, structural properties, by means of Atomic Force Microscopy and X-Ray Diffraction, and chemical characteristics, by means of X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Rutherford Backscattering (RBS). Finally, an AFM Local Anodic Oxidation lithography technique permits to design metal-oxide-metal structures. These structures are characterized by frequency-dependent conductive switching states ¿ typical signature of memristive behavior. Quantum dots studies permit to perform a calibration of transport mechanisms by means of Capacitance Spectroscopy. On the other hand, the planar memristor devices fabricated in this work by means of Local Anodic Oxidation present important rectifying electrical characteristics with non volatile behavior. This memristor approach permits to put forward in the understanding and fabrication of a new family of devices with the potential to become a new generation of non volatile memory devices / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências