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《兰州大学》 2018年
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基于低维材料/聚合物纳米复合材料的柔性阻变存储器研究

张鹏  
【摘要】:柔性阻变随机存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)具有柔性性能良好、存储密度高、读写速度快、功耗低、结构简单等优势,被认为是在可穿戴设备、消费电子等领域最具应用前景的下一代非易失性信息存储器。柔性RRAM器件具有简单的电极/阻变层/电极三明治结构。这要求构成RRAM器件的材料体系,包括电极材料、阻变材料、衬底材料在不同的应力状态下保持结构完整和性能稳定。迄今为止,人们利用诸如无机材料、有机聚合物材料、有机/无机纳米复合材料等材料作为阻变层材料制备了性能各异的柔性RRAM器件。其中,低维材料/聚合物纳米复合材料兼具无机材料和有机聚合物材料的优点。在本论文中,我们选择了聚合物/低维材料的纳米复合材料及天然生物材料为阻变层材料,通过简单的器件制备工艺,制备了一系列具有良好阻变性能及柔性性能的RRAM器件,研究了器件的阻变机理,具体研究结论如下:1.通过两步水热法在2H相MoS_2基体中引入金属性的1T相MoS_2,形成了1T@2H-MoS_2纳米片。2H-MoS_2纳米片的局部转变为1T-MoS_2增加了1T@2H-MoS_2纳米片中硫空位的数量。阻变层中的缺陷在电阻转变的过程中可以作为俘获电子的陷阱中心,对阻变行为有着决定性的作用。通过对Al/2H-MoS_2-PVP/ITO/PET器件和Al/1T@2H-MoS_2-PVP/ITO/PET器件的阻变特性的分析,证明了向纳米片中引入缺陷影响了器件的阻变特性,并在Al/1T@2H-MoS_2-PVP/ITO/PET器件中观察到了非易失性的写一次读多次(Write Once Read Many Time,WORM)阻变效应,且器件具有良好的阻变性能和柔性性能。2.上述工作证明了阻变层中的缺陷对器件的阻变特性有着决定性的作用,基于这个思路,我们开展了如下工作。通过溶剂热法制备了尺寸均匀的Co_9Se_8量子点(Co_9Se_8 Quantum Dots,CSQDs)。得到的平均尺寸为3.2±0.1 nm、厚度为1.8±0.2 nm的CSQDs能均匀地分散在DMF和去离子水中,具有良好发光性能。在得到CSQDs和PVP的纳米复合材料(CSQDs-PVP)后,制备了结构为Al/CSQDs-PVP/Pt/PET的NRRAM器件,观察到了WORM阻变效应。该器件具有高的开关比,良好的保持性、耐久性、柔性性能。通过分析,我们确定了阻变层中Co_9Se_8量子点作为陷阱中心,对阻变行为有着决定性的作用。3.基于前两个工作,我们制备了锑纳米片和锑烯量子点(Antimonene Quantum Dots,AQDs)作为阻变层中陷阱。得到的AQDs能很好地分散在PVP的乙醇溶液中,并制备了柔性Al/AQDs-PVP/Pt/PET器件。器件表现出WORM阻变效应,具有高的开关比和良好的保持性。经过重复弯曲50次后,器件的电阻状态基本不变。器件在ON态和OFF态的阻变行为可以用陷阱控制的SCLC机制和导电细丝模型解释。4.前面的工作都是向阻变层中引入不同类型的缺陷,使器件产生不同的阻变效应。我们用牛奶这种常见的天然有机生物材料作为阻变层材料制备了RRAM器件,通过调控置位(SET)过程中的限制电流的大小,实现了器件的阻变效应从阈值电阻转变效应到记忆阻变效应的转变。限制电流的大小决定了器件阻变层中由于氧化还原反应生成的Ag纳米颗粒的浓度。阻变层中的Ag纳米颗粒的浓度决定了器件的阻变特性。这个工作给制备基于蛋白质和金属纳米颗粒复合材料的阻变存储器的研究提供了一种新的思路。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33;TP333

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