金屬氧化物憶阻特性的增強(qiáng)與新型多功能生物憶阻器.pdf

1、隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，基于電荷存儲的存儲器尺寸已接近其物理極限，亟需尋找一種新型存儲技術(shù)突破此技術(shù)瓶頸。憶阻器以其獨(dú)特的非線性電學(xué)性質(zhì)在基礎(chǔ)電路擴(kuò)展、邏輯電路設(shè)計及生物仿真等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，尤其是在存儲器的研究領(lǐng)域具有巨大的潛在價值。本文以金屬氧化物和DNA材料為基礎(chǔ)，結(jié)合激光分子束外延、熱蒸發(fā)和旋涂技術(shù)制備了Al/ZnO/ITO/glass、Al/ZnO/Ti/ZnO/ITO/glass、Al/Al2O3/Ti/Si、Al/Al

2、2O3/Ag NPs/Ti/Si、Al/ZnS/ITO/glass、Au/DNA/Au/Si等憶阻單元，研究了不同結(jié)構(gòu)的憶阻性能并探索了其存儲機(jī)理。
　　主要工作如下：
　　1.通過激光分子束外延技術(shù)(laser molecular beam epitaxy，LMBE)在ZnO薄膜中嵌入 Ti納米層優(yōu)化了器件的憶阻性能。CAFM測量結(jié)果顯示：Al/ZnO/Ti(2.5 nm)/ZnO/ITO/glass器件的高低電阻比率高達(dá)

3、103，室溫下的忍耐力循環(huán)測量超過300多次，器件放置106s后仍然具有良好的憶阻特性。并且嵌入合適厚度Ti納米層能夠減小器件的轉(zhuǎn)換電壓，增加高低電阻比。同時探索了Ti納米層的厚度和層數(shù)對憶阻行為的影響。憶阻器件在高、低電阻態(tài)下分別滿足 P-N發(fā)射和歐姆傳導(dǎo)規(guī)律，轉(zhuǎn)換機(jī)制由界面效應(yīng)和氧空位導(dǎo)電絲共同控制。Ti納米層的引入，有效調(diào)控了薄膜中氧空位濃度的分布，減弱了導(dǎo)電絲形成和斷裂的隨機(jī)性，提高了器件的穩(wěn)定性。
　　2.通過 Ag納米

4、顆粒修飾電極優(yōu)化了Al2O3薄膜的雙極憶阻特性。首先采用LMBE和熱蒸發(fā)技術(shù)制備了基于Al2O3憶阻器件，研究了Al2O3厚度對Set電壓和高低阻值的影響。通過不同大小的Ag納米顆粒對電極進(jìn)行修飾，發(fā)現(xiàn)14 nm的顆粒對電極修飾后的器件Set(Reset)電壓減小，高低電阻比提高到104，經(jīng)過300次循環(huán)測量后，高低電阻值沒有明顯變化，且能夠保持106s以上，尤其是器件的穩(wěn)定性有了較大提高。通過對器件的I-V曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，P-N發(fā)射

5、和氧空位導(dǎo)電絲機(jī)制可以對器件的憶阻性能進(jìn)行合理解釋，電場的局部增強(qiáng)和非均勻分布是器件穩(wěn)定性提高的主要原因。
　　3.研究了基于ZnS納米薄膜的負(fù)微分電阻和阻變行為。首先通過LMBE和熱蒸發(fā)技術(shù)制備了基于ZnS的納米薄膜器件Al/ZnS/ITO/glass，電學(xué)特性測量發(fā)現(xiàn)：循環(huán)電壓掃描時可獲得兩種穩(wěn)定的阻值狀態(tài)，峰-谷電流比率超過10。適當(dāng)?shù)販p小ZnS薄膜的厚度以及對器件進(jìn)行400℃退火處理可有效地提高器件的峰-谷電流比率，優(yōu)化器

6、件的阻變特性。最后結(jié)合多能谷散射理論，對ZnS器件的負(fù)微分電阻特性進(jìn)行了合理解釋。
　　4.結(jié)合 LMBE和旋涂技術(shù)制備了DNA雙極憶阻器件，研究了不同條件下的憶阻行為。測量結(jié)果表明：器件的憶阻性能與DNA薄膜的層數(shù)有較強(qiáng)依賴關(guān)系，且傳導(dǎo)機(jī)制滿足空間電荷限制電流。通過對Au/(DNA)10/Au/Si器件進(jìn)行循環(huán)測量發(fā)現(xiàn)，器件表現(xiàn)出較好的寫-讀-擦(write-read-erase)特性，且具有可重復(fù)的“一次寫入多次讀取再擦除”特