金属氧化物忆阻特性的增强与新型多功能生物忆阻器

发布时间：2017-09-19 12:52

  本文关键词：金属氧化物忆阻特性的增强与新型多功能生物忆阻器

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【摘要】：随着半导体技术的飞速发展,基于电荷存储的存储器尺寸已接近其物理极限,亟需寻找一种新型存储技术突破此技术瓶颈。忆阻器以其独特的非线性电学性质在基础电路扩展、逻辑电路设计及生物仿真等领域具有广泛应用,尤其是在存储器的研究领域具有巨大的潜在价值。本文以金属氧化物和DNA材料为基础,结合激光分子束外延、热蒸发和旋涂技术制备了Al/Zn O/ITO/glass、Al/Zn O/Ti/Zn O/ITO/glass、Al/Al2O3/Ti/Si、Al/Al2O3/Ag NPs/Ti/Si、Al/Zn S/ITO/glass、Au/DNA/Au/Si等忆阻单元,研究了不同结构的忆阻性能并探索了其存储机理。主要工作如下:1.通过激光分子束外延技术(laser molecular beam epitaxy,LMBE)在Zn O薄膜中嵌入Ti纳米层优化了器件的忆阻性能。CAFM测量结果显示:Al/Zn O/Ti(2.5nm)/Zn O/ITO/glass器件的高低电阻比率高达103,室温下的忍耐力循环测量超过300多次,器件放置106s后仍然具有良好的忆阻特性。并且嵌入合适厚度Ti纳米层能够减小器件的转换电压,增加高低电阻比。同时探索了Ti纳米层的厚度和层数对忆阻行为的影响。忆阻器件在高、低电阻态下分别满足P-N发射和欧姆传导规律,转换机制由界面效应和氧空位导电丝共同控制。Ti纳米层的引入,有效调控了薄膜中氧空位浓度的分布,减弱了导电丝形成和断裂的随机性,提高了器件的稳定性。2.通过Ag纳米颗粒修饰电极优化了Al2O3薄膜的双极忆阻特性。首先采用LMBE和热蒸发技术制备了基于Al2O3忆阻器件,研究了Al2O3厚度对Set电压和高低阻值的影响。通过不同大小的Ag纳米颗粒对电极进行修饰,发现14 nm的颗粒对电极修饰后的器件Set(Reset)电压减小,高低电阻比提高到104,经过300次循环测量后,高低电阻值没有明显变化,且能够保持106s以上,尤其是器件的稳定性有了较大提高。通过对器件的I-V曲线进行拟合发现,P-N发射和氧空位导电丝机制可以对器件的忆阻性能进行合理解释,电场的局部增强和非均匀分布是器件稳定性提高的主要原因。3.研究了基于Zn S纳米薄膜的负微分电阻和阻变行为。首先通过LMBE和热蒸发技术制备了基于Zn S的纳米薄膜器件Al/Zn S/ITO/glass,电学特性测量发现:循环电压扫描时可获得两种稳定的阻值状态,峰-谷电流比率超过10。适当地减小Zn S薄膜的厚度以及对器件进行400℃退火处理可有效地提高器件的峰-谷电流比率,优化器件的阻变特性。最后结合多能谷散射理论,对Zn S器件的负微分电阻特性进行了合理解释。4.结合LMBE和旋涂技术制备了DNA双极忆阻器件,研究了不同条件下的忆阻行为。测量结果表明:器件的忆阻性能与DNA薄膜的层数有较强依赖关系,且传导机制满足空间电荷限制电流。通过对Au/(DNA)10/Au/Si器件进行循环测量发现,器件表现出较好的写-读-擦(write-read-erase)特性,且具有可重复的“一次写入多次读取再擦除”特性。DNA上螯合Ag+后能够降低器件的Set电压和高(低)阻态的电阻值,减小器件的功耗。特别是在不同扫描电压的作用下,器件表现出多级存储特性,这将有助于高密度存储器件的开发。
【关键词】：忆阻器 存储器 ZnO薄膜 Al2O3薄膜 ZnS薄膜 DNA 导电丝机制 多级非易失性存储
【学位授予单位】：聊城大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要3-5
• abstract5-11
• 第一章 绪论11-32
• 1.1 存储器的分类12
• 1.2 非易失性存储器12-16
• 1.2.1 传统Flash存储器12-13
• 1.2.2 铁电存储器(FeRAM)13-14
• 1.2.3 相变存储器(PRAM)14
• 1.2.4 磁阻存储器(MRAM)14-15
• 1.2.5 阻变存储器(RRAM)15-16
• 1.3 RRAM研究进展16-22
• 1.3.1 过渡金属氧化物(TMO)16-18
• 1.3.2 钙钛矿材料(TMO)18-20
• 1.3.3 有机材料20-22
• 1.4 电阻转换机制模型22-30
• 1.4.1 导电丝 (Filament) 理论22-25
• 1.4.2 S-V (Simmnon-Verderber) 理论25-26
• 1.4.3 普尔-法兰克发射(Poole-Frenkel emission)26-27
• 1.4.4 空间电荷限制电流 (space-charge limited current)27-29
• 1.4.5 肖特基势垒模型(modified schottky barrier model)29
• 1.4.6 隧穿(tunneling)机制29-30
• 1.5 选题意义、目的和主要研究内容30-32
• 第二章 实验仪器介绍32-37
• 2.1 薄膜生长系统32-34
• 2.1.1 激光分子束外延生长系统32-33
• 2.1.2 热蒸发沉积系统33
• 2.1.3 匀胶机旋涂技术33-34
• 2.2 薄膜参数及性能测量仪器34-37
• 2.2.1 椭偏仪测定薄膜厚度34
• 2.2.2 台阶仪测定薄膜厚度34-35
• 2.2.3 薄膜结构测量35
• 2.2.4 (导电)原子力显微镜35-36
• 2.2.5 Keithley 2400 系统36-37
• 第三章 嵌入Ti纳米层增强ZnO器件的忆阻特性37-46
• 3.1 引言37
• 3.2 器件制备过程和测量方法37-38
• 3.3 薄膜结构及表面形貌38-39
• 3.4 器件的电学特性分析39-45
• 3.4.1 忆阻器件的抗疲劳特性39-40
• 3.4.2 Ti层厚度对忆阻特性的影响40-41
• 3.4.3 Ti层数目对忆阻特性的影响41-42
• 3.4.4 忆阻行为的转换机制和电荷输运模式42-45
• 3.5 小结45-46
• 第四章 Ag纳米颗粒修饰电极增强Al_2O_3器件的忆阻特性46-55
• 4.1 引言46
• 4.2 器件制备和测量方法46-47
• 4.2.1 器件的制备与测量46-47
• 4.2.2 Ag纳米颗粒的合成与测定47
• 4.3 器件的电学特性分析47-54
• 4.3.1 多次测量的电学特性47-48
• 4.3.2 Al_2O_3厚度对忆阻特性的影响48-49
• 4.3.3 Ag纳米颗粒对记忆特性的影响49-50
• 4.3.4 忍耐力测试和保存特性50-51
• 4.3.5 忆阻行为的转换机制和导电机理51-54
• 4.4 小结54-55
• 第五章 退火处理增强ZnS薄膜器件的阻变特性55-63
• 5.1 引言55
• 5.2 实验过程和测量设置55-56
• 5.3 表面形貌的表征56-57
• 5.4 电学性能测量和结果分析57-60
• 5.4.1 器件在不同电压下的I-V曲线57-58
• 5.4.2 不同厚度ZnS薄膜器件的I-V曲线58-59
• 5.4.3 退火对器件I-V特性的影响59-60
• 5.5 器件负微分效应(阻变转换)的物理机制60-62
• 5.6 小结62-63
• 第六章 新型多功能DNA生物忆阻器63-73
• 6.1 引言63-64
• 6.2 器件的制备和测试方法64-65
• 6.2.1 材料处理和器件的制备64-65
• 6.2.1 实验测量技术65
• 6.3 器件电学性能测试及结果分析65-73
• 6.3.1 DNA器件的读-写-擦和一次写入-多次读取特性65-67
• 6.3.2 Ag离子对器件忆阻特性的影响67-70
• 6.3.3 器件的多级存储特性70-71
• 6.3.4 小结71-73
• 第七章 结论与展望73-75
• 7.1 论文总结73-74
• 7.2 工作展望74-75
• 参考文献75-82
• 致谢82-83
• 攻读硕士期间发表的学术论文83-84
• 附件84

【参考文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 胡小方;基于忆阻器的非易失性存储器研究[D];西南大学;2012年

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本文编号：881765