基于摩擦纳米发电机的气体离子栅调控技术及其在ZnO薄膜新型电阻开关存储器中的应用

发布时间：2020-07-01 05:32

【摘要】：ZnO作为一种新型半导体材料,室温下其激子结合能是60 meV,禁带宽度约为3.37eV。由于ZnO在电学特性、能带结构、晶格结构等方面具有特殊性质,成为半导体材料领域研究的重点,广泛的应用于发光二极管、场效应晶体管、气敏器件、电阻开关存储器、透明导电膜、太阳能电池以及平面显示器等各个领域。随着科学技术的发展,人们对器件的各项性能提出了更高的要求,这就需要不断发展新型的技术来调控和改善器件的性能。ZnO薄膜由于具有大的比表面积、丰富的表面态,吸附在表面的气体分子可以通过调控表面电荷及表面态,改变薄膜的功函数、能带结构和电子迁移率等特性。表面吸附的各种气体是产生和调控表面态的重要方式,在调控电学传输和光电器件性能方面具有重要作用。但是,目前缺少直接调控气体吸附的有效手段。在本论文中,基于我们课题组在摩擦纳米发电机(TENG)电离空气方面前期工作的基础,该论文提出了气体离子栅的新型调控手段,实现了对ZnO电学传输特性的有效调控,并发展出新型的电阻开关器件。本论文主要包括以下几个部分:在第一章绪论中,首先介绍了研究背景。列举出ZnO纳米材料的基本性质及其在半导体器件领域的研究进展。介绍了表面态对ZnO光电传输特性的重要影响,以及人们在调控表面态方面开展的研究工作。研究表明,气体吸附是一种重要的表面态。但是,目前仍然缺少直接调控气体吸附的有效手段。因此,需要提出一种有效的方法调控ZnO薄膜表面态。结合本课题组前期基于TENG电离气体的工作基础,提出了本论文基于TENG发展气体离子栅调控技术的研究思路。在第二章中,介绍了基于TENG所建立的气体离子栅调控技术,及其对ZnO薄膜电学传输特性的调控。本文采用原子层沉积技术(ALD)在插齿电极上制备ZnO纳米薄膜。介绍了气体离子栅调控技术的实验方法,研究了气体离子栅调控ZnO薄膜电学传输特性的机制。对照实验表明,在正极性气体离子栅调控中起主要作用的离子是N_2~+,在负极性气体离子栅调控中起主要作用的离子是O_2~-。在气体离子栅的调控下,ZnO薄膜的电流在10~-1010 A和10~-22 A之间反复变化,开关比高达8个数量级,实现了低阻态和高阻态之间反复、可逆的相互转换。器件在正极性气体离子栅调控下,响应时间常数为0.25 s;负极性气体离子栅调控下,回复时间常数为0.12 s。在此基础上发展了一种可逆的、非易失性的、由双极性气体离子控制的电阻开关器件。在第三章中,研究了气体离子栅与紫外光共同调控下的电阻开关特性。首先,研究了负极性气体离子栅与紫外光照共同调控下ZnO薄膜的电阻开关特性。在这种电阻开关中,UV光照可以使O_2~-从ZnO薄膜表面脱附,产生低电阻态;负极性气体离子栅调控可以使O_2~-再次吸附在薄膜表面,产生高电阻态。与传统的UV光照下的光电流开关相比,O_2~-作为负极性气体离子栅调控的主要离子,能够快速吸附于薄膜表面,显著提高了开关的回复速度。同时,将紫外光和正、负气体离子栅调控相结合,使器件可以达到三重态的电阻转变,为发展多态的电阻开关存储器件提供了条件。通过本论文的研究,我们提出了基于TENG的气体离子栅调控新技术,并利用该技术实现了对ZnO薄膜电学传输特性的有效调控。以此为基础,发展了新型的电阻开关存储器。这些研究结果为调控纳米结构的表面态、发展新型高性能的光电器件提供了新的思路和方法。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386;TN304
【图文】：

示意图,晶体结构,类型,示意图

纤锌矿结构[6]，如图 1-1 所示。对于这三种晶体结构来说，纤锌矿结构在室温下存在，且其热力学结构是最稳定的。岩盐矿结构与闪锌矿结构的存在条件是十分苛刻的，岩盐矿结构在高压情况才能获得，闪锌矿结构必须在六方结构的基底上才能生长并且稳定存在。这就意味着通常情况下，ZnO 为纤锌矿结构，晶格常数为 a=0.32498 nm，c=0.52066 nm[7]。这种正四面体配位形式会导致 ZnO 的结构不对称，这种不对称的晶体结构，使得其具有独特的热电性和压电特性[8-10]。综合 ZnO 的优异的特性，其已经变成今后各个领域关注的焦点。

回复时间,纳米线,紫外光探测器,压电特性

图 1-2 ZnO 纳米线的(a)压电特性；SEM(b)弯曲时和(c)回复时间我们课题组通过使用单根的 ZnO 纳米线制备了紫外光探测器结果表明单根纳米线与金属电极的接触是非对称的，并且构成构[12]。探究了肖特基势垒紫外光检测器的光电流机制与回复过是该器件性能提高的根本原因。这种器件不仅回复时间很快，紫外光响应和回复性能如图 1-3 所示。

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