多鐵性納米材料的憶阻效應(yīng)及其存儲應(yīng)用研究.pdf

1、隨著信息科學(xué)和電子器件技術(shù)的發(fā)展，器件的尺寸得到了不斷的縮小。但是，當(dāng)其小到納米量級時，半導(dǎo)體技術(shù)就面臨技術(shù)和物理理論的雙重挑戰(zhàn)。因此，電子器件的微型化發(fā)展成為中心議題被載入了國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖中。
　　在過去的幾十年，為了克服基于電荷存儲的傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲器件因為尺寸的縮小遇到嚴(yán)峻的物理理論和制備技術(shù)的雙重限制，因而無法滿足信息技術(shù)迅速發(fā)展的需要。因此尋找一種更高密度、非易失性、低能耗的下一代新型存儲技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。目前，許多新

2、的非易失性存儲器件應(yīng)運而生，其中包括聚合物存儲器、磁存儲器、鐵電存儲器、相變存儲器和憶阻隨機存儲器。在這些新型的存儲器中，憶阻隨機存儲器(RRAM)以其具有結(jié)構(gòu)簡單、非易失性、功耗低、讀寫速度快、集成密度高、單個器件可縮小至納米量級等優(yōu)良性能受到許多科研人員的關(guān)注，因此被認(rèn)為是下一代存儲器中最有應(yīng)用前景的候選者之一。
　　在憶阻存儲器的研究中，室溫下具有憶阻存儲特性的材料更是受到科研人員的青睞。在過去的研究中，人們已經(jīng)在很多半導(dǎo)體

3、和絕緣體材料（如金屬氧化物、硫化物、復(fù)雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料以及有機半導(dǎo)體材料）中紛紛發(fā)現(xiàn)了這種憶阻效應(yīng)。為了揭示這些材料真正出現(xiàn)憶阻效應(yīng)的機理，到目前為止已經(jīng)取得很大的研究進(jìn)展。但是，就目前而言，還沒有一個完整的理論模型能夠?qū)涀璎F(xiàn)象做一個清晰的解釋，機理分析還比較欠缺，仍然存在有大量的研究空間。因此，能夠從基本物理模型去揭開材料電阻變化的機理是一項重要而有深刻意義的研究課題。同時，尋找除了電脈沖控制的憶阻效應(yīng)以外，其他手段（如光控）控制的

4、憶阻存儲效應(yīng)更是重中之重的研究方向。
　　為了研究憶阻存儲效應(yīng)出現(xiàn)的機理以及光照可能對憶阻存儲性能的調(diào)控，本論文圍繞幾種多鐵性納米材料在室溫下的憶阻存儲特性，并通過改變材料合成方法和材料的納米結(jié)構(gòu)等方法，我們分別對其憶阻特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)光照對其中幾種多鐵性納米材料的憶阻效應(yīng)具有明顯的調(diào)控作用，并獲得了一些有意義的結(jié)果。主要結(jié)果如下：
　　首先，通過簡單的水熱方法，在表面活性劑的誘導(dǎo)下，分別合成出來了高質(zhì)量的Mn

5、WO4納米線和FeWO4納米線陣列。隨后利用真空沉積或銀膠壓印的方法制備上電極，即制備成了具有Ag/MnWO4/Ag和Ag/FeWO4/Ti三明治結(jié)構(gòu)的憶阻存儲器件。然后使用電化學(xué)工作站對兩種結(jié)構(gòu)器件的憶阻特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)在室溫下都具有明顯滯回的電流-電壓(I-V)特性關(guān)系，這種I-V特性可能歸因于銀電極中的銀原子在較高的外電場下電離出了銀離子(Ag+)，進(jìn)而銀離子在外電壓的驅(qū)動下分別在MnWO4納米線和FeWO4納米線中沿

6、著電場的方向擴散，隨著銀離子的不斷積累堆積，導(dǎo)致在納米線內(nèi)部形成了導(dǎo)電細(xì)絲，這樣一來，器件由于導(dǎo)電細(xì)絲的作用使之發(fā)生短路，便從高阻態(tài)過渡到了低阻態(tài)。由于導(dǎo)電細(xì)絲在正反向電場中的不斷形成與斷開，誘導(dǎo)材料在高低阻態(tài)之間可以進(jìn)行可逆的切換。因此，上述憶阻記憶器件的起因是由于導(dǎo)絲的形成與斷開。更重要的是，對于Ag/MnWO4/Ag結(jié)構(gòu)的器件，我們通過元素分析，定量的表征出了該器件分別處于高阻態(tài)(HRS)和低阻態(tài)(LRS)時銀元素的百分含量，更加

7、充分的證明了該器件的憶阻效應(yīng)是來源于導(dǎo)絲的形成與斷開。
　　其次，分別通過簡單水熱法和射頻磁控濺射法在鈦(Ti)片基底上生長出了BiMnO3納米線陣列和在柔軟的聚酰亞胺(Polyimide)基底上沉積了 BiFeO3薄膜。隨后利用銀膠印刷或真空沉積的方法，制備成了具有 Ag/BiMnO3/Ti和ITO/BiFeO3/Ti/Polyimide結(jié)構(gòu)的憶阻存儲器件。最后使用電化學(xué)工作站分別對上述兩種結(jié)構(gòu)的憶阻特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)上述

8、兩種結(jié)構(gòu)在室溫時都具有明顯滯回的電流-電壓（I-V）特性關(guān)系，而且開關(guān)穩(wěn)定性能比較良好。更加重要的是，以上兩種結(jié)構(gòu)器件的I-V特性可以被白光的照射所調(diào)控。通過進(jìn)一步機理分析，揭示出了該憶阻特性與上述兩種多鐵性納米材料的極化有關(guān)，其鐵電極化可以調(diào)節(jié)介質(zhì)層與相鄰導(dǎo)電材料（電極）界面形成的肖特基勢壘，而白光的照射可以在介質(zhì)材料（多鐵性納米材料）的內(nèi)部產(chǎn)生大量的光生截流子，進(jìn)而改變界面的截流子濃度與極化強度，從而影響到了界面截流子的捕獲和去捕獲

9、，最終影響到了其憶阻器件的存儲特性。特別值得注意的是，其中光控制的ITO/BiFeO3/Ti/Polyimide結(jié)構(gòu)的憶阻器件具有柔軟和可穿戴的特性，因此該器件可以做為光控可穿戴式憶阻隨機存儲器件的雛形。
　　最后，我們對生物憶阻器的制備與應(yīng)用做了簡單的介紹與展望。因為從目前的發(fā)展來看，生物憶阻器將是憶阻器將來的重要發(fā)展方向之一，而基于細(xì)胞水平的憶阻器的應(yīng)用則是體現(xiàn)了生物憶阻器優(yōu)越性的一個重要方面，該應(yīng)用充分體現(xiàn)出了憶阻器可以縮小