多铁性纳米材料的忆阻效应及其存储应用研究

发布时间：2018-03-16 13:18

  本文选题：忆阻器　切入点：电脉冲　出处：《西南大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着信息科学和电子器件技术的发展,器件的尺寸得到了不断的缩小。但是,当其小到纳米量级时,半导体技术就面临技术和物理理论的双重挑战。因此,电子器件的微型化发展成为中心议题被载入了国际半导体技术蓝图中。在过去的几十年,为了克服基于电荷存储的传统半导体存储器件因为尺寸的缩小遇到严峻的物理理论和制备技术的双重限制,因而无法满足信息技术迅速发展的需要。因此寻找一种更高密度、非易失性、低能耗的下一代新型存储技术已经迫在眉睫。目前,许多新的非易失性存储器件应运而生,其中包括聚合物存储器、磁存储器、铁电存储器、相变存储器和忆阻随机存储器。在这些新型的存储器中,忆阻随机存储器(RRAM)以其具有结构简单、非易失性、功耗低、读写速度快、集成密度高、单个器件可缩小至纳米量级等优良性能受到许多科研人员的关注,因此被认为是下一代存储器中最有应用前景的候选者之一。在忆阻存储器的研究中,室温下具有忆阻存储特性的材料更是受到科研人员的青睐。在过去的研究中,人们已经在很多半导体和绝缘体材料(如金属氧化物、硫化物、复杂钙钛矿结构材料以及有机半导体材料)中纷纷发现了这种忆阻效应。为了揭示这些材料真正出现忆阻效应的机理,到目前为止已经取得很大的研究进展。但是,就目前而言,还没有一个完整的理论模型能够对忆阻现象做一个清晰的解释,机理分析还比较欠缺,仍然存在有大量的研究空间。因此,能够从基本物理模型去揭开材料电阻变化的机理是一项重要而有深刻意义的研究课题。同时,寻找除了电脉冲控制的忆阻效应以外,其他手段(如光控)控制的忆阻存储效应更是重中之重的研究方向。为了研究忆阻存储效应出现的机理以及光照可能对忆阻存储性能的调控,本论文围绕几种多铁性纳米材料在室温下的忆阻存储特性,并通过改变材料合成方法和材料的纳米结构等方法,我们分别对其忆阻特性进行了系统的分析,进而发现光照对其中几种多铁性纳米材料的忆阻效应具有明显的调控作用,并获得了一些有意义的结果。主要结果如下:首先,通过简单的水热方法,在表面活性剂的诱导下,分别合成出来了高质量的Mn WO4纳米线和Fe WO4纳米线阵列。随后利用真空沉积或银胶压印的方法制备上电极,即制备成了具有Ag/Mn WO4/Ag和Ag/Fe WO4/Ti三明治结构的忆阻存储器件。然后使用电化学工作站对两种结构器件的忆阻特性进行了研究,发现两种结构在室温下都具有明显滞回的电流-电压(I-V)特性关系,这种I-V特性可能归因于银电极中的银原子在较高的外电场下电离出了银离子(Ag+),进而银离子在外电压的驱动下分别在Mn WO4纳米线和Fe WO4纳米线中沿着电场的方向扩散,随着银离子的不断积累堆积,导致在纳米线内部形成了导电细丝,这样一来,器件由于导电细丝的作用使之发生短路,便从高阻态过渡到了低阻态。由于导电细丝在正反向电场中的不断形成与断开,诱导材料在高低阻态之间可以进行可逆的切换。因此,上述忆阻记忆器件的起因是由于导丝的形成与断开。更重要的是,对于Ag/Mn WO4/Ag结构的器件,我们通过元素分析,定量的表征出了该器件分别处于高阻态(HRS)和低阻态(LRS)时银元素的百分含量,更加充分的证明了该器件的忆阻效应是来源于导丝的形成与断开。其次,分别通过简单水热法和射频磁控溅射法在钛(Ti)片基底上生长出了Bi Mn O3纳米线阵列和在柔软的聚酰亚胺(Polyimide)基底上沉积了Bi Fe O3薄膜。随后利用银胶印刷或真空沉积的方法,制备成了具有Ag/Bi Mn O3/Ti和ITO/Bi Fe O3/Ti/Polyimide结构的忆阻存储器件。最后使用电化学工作站分别对上述两种结构的忆阻特性进行了详细研究,发现上述两种结构在室温时都具有明显滞回的电流-电压(I-V)特性关系,而且开关稳定性能比较良好。更加重要的是,以上两种结构器件的I-V特性可以被白光的照射所调控。通过进一步机理分析,揭示出了该忆阻特性与上述两种多铁性纳米材料的极化有关,其铁电极化可以调节介质层与相邻导电材料(电极)界面形成的肖特基势垒,而白光的照射可以在介质材料(多铁性纳米材料)的内部产生大量的光生截流子,进而改变界面的截流子浓度与极化强度,从而影响到了界面截流子的捕获和去捕获,最终影响到了其忆阻器件的存储特性。特别值得注意的是,其中光控制的ITO/Bi Fe O3/Ti/Polyimide结构的忆阻器件具有柔软和可穿戴的特性,因此该器件可以做为光控可穿戴式忆阻随机存储器件的雏形。最后,我们对生物忆阻器的制备与应用做了简单的介绍与展望。因为从目前的发展来看,生物忆阻器将是忆阻器将来的重要发展方向之一,而基于细胞水平的忆阻器的应用则是体现了生物忆阻器优越性的一个重要方面,该应用充分体现出了忆阻器可以缩小到纳米量级的特点,这些都是传统记忆器件所无法媲美的。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

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本文编号：1620084