Exploring Electron Transport and Memristive Switching in Nanoscale Au/WOx/W Multijunctions Based on Anodically Oxidized Al/W Metal Layers

Abstract

An array of semiconducting tungsten-oxide (WOx) nanorods, 100 nm wide and 700 nm long, is synthesized via the porous-anodic-alumina-assisted anodization of tungsten on a substrate and is modified by annealing in air and vacuum. The rods buried in the alumina nanopores are self-anchored to the tungsten layer while their tops are interconnected via gold electrodeposited inside and over the pores. Thus formed metal/semiconductor/metal microdevices are used for studying electron transport within the nanorods and across the multiplied nanoscale Au/WOx and W/WOx interfaces. The dominating effect of a Schottky junction that forms at the Au/WOx interface is justified for the as-anodized and air-annealed nanorods tested at room temperature, which transforms into an ohmic contact at elevated temperature, whereas the bottom W/WOx interface turns out to be Schottky-like and govern the electron transport, giving a higher barrier and a set of pronounced diode-like characteristics in the as-anodized nanoarrays. The amorphous nanorods reveal bipolar resistive switching with a gradual reset due to the field-driven movement of oxygen vacancies and induced modifications of the Au/WOx Schottky interface. The unique electrical and interfacial properties of the nanoscale Au/WOx/W multijunctions form a basis for their application in emerging resistive random access memories or 3D gas-sensing nanodevices.

Pole polovodivých nanotyčinek oxidů wolframu (WOx), 100 nm širokých a 700 nm dlouhých, je syntetizováno z wolframu pomocí porézní aluminy a je modifikováno žíháním ve vzduchu a ve vakuu. Tyčinky skryté v nanopórech aluminy jsou ukotveny k vrstvě wolframu, zatímco jejich vršky jsou propojeny elektrodeponovaným zlatem vevnitř a na povrchu pórů. Takto vytvořené mikrozařízení kov/polovodič/kov jsou použity ke studiu elektronového transportu vevnitř nanotyčinek a přez vícenásobné Au/WOx a W/WOx rozhraní. Je pozorován dominantní vliv Schottkyho kontaktu vytvořeného na Au/WOx rozhraní u nežíhaných a ve vzduchu žíhaných nanotyčinek testovaných při pokojové teplotě, jež se změní v ohmický kontakt za zvýšené teploty, přičemž spodní W/WOx rozhraní se změní v Schottkyho kontakt dominující elektronovému transportu, vedoucí k vyšší bariéře a sadě diodových charakteristik u nežíhaných polí. Amorfní nanotyčky vykazují bipolární resistivní spínání s postupným resetem, díky polem-řízenému pohybu kyslíkových vakancií a indukovanými změnami Au/WOx Schottkyho rozhraní. Tyto unikátní elektrické a rozhraňové vlastnosti nanorozměrných Au/WOx/W rozhraních tvoří základ pro jejich použití v rozvíjejících se ReRAM pamětích nebo v nanosenzorech plynů.