Cu katkılı TiO2 ince filmlerin memristiv davranışı ve karakterizasyonu
Cu-doped TiO2 thin film based memristors and characterization
Yazar: BANAFSHEH ALIZADEH ARASHLOO
Danışman: PROF. DR. HASAN EFEOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Amaç: Bu çalışmada Cu katkılı TiO2 ince filmlerin Cu/Pt/TiO2:Cu ve TiO2/SiO2/p++Si/Al yapılarında memristiv davranış ve karakterize edilerek incelemesi yapıldı.
Yöntem: Bu çalışma Plazma bazlı sıçratmaya ek bir teknik olarak Yüksek Güçlü Darbeli Manyetik Sıçratma (HiPIMS) tekniği ile ince filmlerin biriktirilmesi veya kaplanmasını ihtiva etmektedir. HiPIMS, yüksek deşarj gücüyle püskürtülen atomların yüksek iyonlaşma oranı ile üretildiği, magnetron hedefine düşük tekrarlama frekansı ile yüksek güçlü ve kısa darbeler gerilim uygulamaya dayanmaktadır. Yüksek gerilim uygulanan hedefin, Ar gibi bir inert gaz iyonları ile bombardıman edilir. Film büyümesi hedeften sökülen atomların iyonları ile oluşan yüksek yoğunluktaki plazma ile kontrol edilir. Bileşik malzemelerin biriktirilmesi için metal hedefler, CH4, N2, O2, vb gibi gazlarlın atmosferi altında R-HiPIMS veya benzeri tekniklerle manyetik sıçratma ile elde edilir ve oksit, nitrit ve karbide gibi bileşiklerin ince filmler büyütülür.
Bulgular: Oksijen akış hızı ile ilgili TiO2 büyüme oranının sonuçları, 0.4sccm HiPIMS için değerlendirldi. (Cu/Pt/TiO2: Cu veya TiO2/SiO2/p++Si/Al) yapıları için cam altlık üzerinde 2 fCu ve fCu katkılı DC darbesi ile büyütülrn TiO2 optik soğurma ölçümlerinden bant aralıkları sırasıyla 3.78, 3.6 ve 3.7eV'dir. Katkısız ve 10, 15, 25% Cu katkılı TiO2 olarak memristörün (I-V) karakterleri, TiO2 için simetriktir ve doğrultucu özellik gözlenmezken, Cu katkılı cihazlarda asimetrik. AFM sonuçları, 30nm'lik yüzey morfolojisi üzerinde saf ve (10, 15, 20, 25% 30) Cu katkılı TiO2 için sırasıyla 0.3, 0.41, 0.16 ,0.48, 0.52, 0.77 (Rms) nm pürüzlülük oluştuğu görüldü. Cu oranının 5% az (p++Si/SiO2/Au/Pt/TiO2/Cu/Au) aygıt yapısıdan 250 ̊C'deki ısıl işlemin daha iyi bir performans ile belirgin hesterisiz alanı gözlendi. 
Sonuç: Cu katkısı tüm yaptığımız cihazların ince filmler üzerinde; (i) ince filmin kristalleşme üzerinde bir ihmal edilecek etkisi var ve XRD sonuçlar bunu teyit etmektedir; (ii) katkı oranı artığında ince filmlerin band aralığını azalması optik ölçümlerinden anaşıldı ve memristörün elektriksel karakterizasyonuna göre memristörün set gerilimi daha yüksek gerilime kaymaktadır. Ayrıca filament olusumu yüksek gerilimde olduğundan, katkı oranı artışı daha çok akım geçişine sebep olmaktadır; (iii) Pt/TiO2:Cu/p++Si/Al aygıtı için üst kontakt degiştirilerek bakır kullanıldı ve asimetrik I-V ilişkisi gözlendi; (iv) 250 ̊ C'da tavlanan numune az Cu katkılı numunelerde (1.5 ile 3%Cu katkısı) memristive özelliğin belirginleştiyi gözlendi.

Abstract:
Purpose: This study aimed to investigate memristiv behavior of Cu-Doped TiO2 thin film based on Cu/Pt/TiO2:Cu or TiO2/SiO2/p++Si/Al structures carried out.
Method: The High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) as an additional technique to plasma-based sputtering, is applied to depositing or coating of thin films. HiPIMS is based on applying a high power and low duty cycle unipolar pulses to the magnetron target by a low repetition rate, which a highly ionized part of sputtered atoms is produced by high discharge power. The high voltage applied target is bombarded with ions of an inert gas such as Ar. Film growth is controlled by the acceleration of the sputtered material through the high density plasma. For the deposition of composite materials, metal targets are sputtered under an atmosphere of gases such as CH4, N2, O2, etc. Thin films compounds such as oxide, nitride, carbide, .. are grown by R-HiPIMS or similar techniques.
Finding: The results of TiO2 growth rate, related to oxygen flow rate, were selected 0.4sccm for HiPIMS. Surface band energy from TiO2 optical absorption measurements for (Cu/Pt/TiO2: Cu or TiO2/SiO2/p ++Si/Al) structures on glass altlıke, respectively 3.78, 3.6 and 3.7eV in DC pulse equal to 2fCu and fCu doped Cu DC pulse. The characters of the memistor (I-V) for undoped TiO2 and 10, 15, 25% Cu doped are symmetrical and asymmetrical respectively, while doped samples is observed rectifier property. The AFM results showed a roughness of 0.3, 0.41, 0.16, 0.48, 0.52, 0.77 (Rms) nm for pure and (10, 15, 20, 25 30%) Cu doped TiO2, respectively, on the surface morphology of 30 nm. 5% less than Cu ratio (p++Si/SiO2/Au/Pt/TiO2/Cu/Au) device structure is observed better performance after heat treatment at 250 ̊C.
Results: Findings for Cu doping on thin films of all our devices were; (i) the thin film has a negligible effect on crystallization and XRD results confirm this; (ii) the decrease in the band gap of thin films when the doping ratio increases is derived from the optical measurements and according to the electrical characterization of the memristor, the set voltage of the memristor shifts to a higher voltage, furthermore, because the filament formation is at higher voltage, the increase in the doping ratio causes more current flow; (iii) For the Pt/TiO2:Cu/p++Si/Al device, the top contact Pt changing by Cu and an asymmetric I-V relationship was observed; (iv) The device annealed at 250 ̊ C shown the better memristive properties between 1.5 and 3% Cu doped devices.