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基于氧化锌氧空位迁移的第一性原理研究

阻变存储器（RRAM）以其小尺寸，低功耗，高速度，高耐久等优点，已成为下一代非易失性存储器的首选方案之一[1-3]。RRAM的阻态转变是通过阻变层导电细丝生长、断裂实现的，在微观层面导电细丝的生长、断裂的同时能带结构也随之发生变化。为此揭示RRAM的阻态转变机制，首先需要研究材料的能带结构和态密度 [4,5]。许多学者已经对各类过渡金属氧化物进行了结构优化和理化分析[6,7]。然而，很少有学者针对不同电场下n型直接带隙半导体ZnO的能态进行研究。本文采用了目前应用最广泛的第一性原理，基于超软赝势和各类密度泛函的计算模型，构建了空间群为F-43m，晶格常数为4.628 nm的氧化锌闪铁矿的面心结构[8]。利用了自洽场理论（scf）中的PBE泛函优化结构，比较了ZnO单胞轨道加电场和不加电场的能带间隙。分析各原子的态密度图，结果表明Zn原子的p、d轨道和O原子的p轨道波峰数量较多，这说明其对离子迁移的贡献较大。最后在空间中对体系加电场模拟半导体的导电环境，发现当外加电场达到7.704 V/nm时随电场强度增大带隙有明显减小的趋势，进一步分析了各方向电场强度大小对材料宏观阻态的影响。电场作用下ZnO的能态结构发生改变，为此可以通过改变器件工作过程中外电场的方向和大小来调控ZnO阻变存储器的宏观阻态。本文的研究能够帮助选择ZnO阻变存储器合适的工作电压，并且有助于研究ZnO在阻变存储器中的最佳空间结构和位置。