HfO₂-Based Memristors for Gamma-Ray Detection: An Experimental and Computational Investigation

记忆电阻器 材料科学 光电子学 计算机科学 电子工程 工程类
作者
Sueda Saylan,G. W. Hitt,Maguy Abi Jaoudé,Baker Mohammad
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:24 (3): 2758-2768 被引量:1
标识
DOI:10.1109/jsen.2023.3339796
摘要

In this work, we present a memristor with a thin film (~100-nm-thick) of a high-atomic-number material in a Cu/HfO2/ $\text{p}^{+}$ -Si stack to detect gamma-ray irradiation doses as low as ~30 mGy. The device leverages the unique properties of memristors, which exhibit a change in the resistance state upon applying an external electrical bias. This characteristic makes them well suited for dosimetry applications as the radiation exposure induces a change in the programming voltage ( ${V}_{{\text {SET}}}$ ). Our experiments reveal, on average, a 60% or more decrease in ${V}_{{\text {SET}}}$ in response to gamma-ray irradiation, covering a dose range of 30–850 mGy. These results highlight the potential of memristive sensing as a valuable tool for monitoring radiation exposure in space, safeguarding both individuals and electronics from its detrimental effects. In addition to the experimental findings, coupled radiation transport and radiation damage cascade simulations performed provide energy deposition, ionization, and defect distributions in the stack, yielding new insights into the device’s response to ionizing radiation. This combined approach aims at enhancing our understanding of the underlying processes and further optimizing the memristive sensing capability for radiation monitoring in space missions.
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