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基于单根金属氧化物一维微/纳米线的双电极结构器件的性能研究

赵婕  
【摘要】:随着全球变暖和能源危机的来临,寻找可再生的绿色能源是全人类可持续发展的重要目标。宏观上,光能、热能、风能等新型能源逐步替代石油、煤等传统能源是必然的趋势。微观上,良好的独立性、持久性、安全性、生物兼容性、灵敏性、便携性,是不断发展和研究的目标。纳米器件由于其尺寸小,被广泛的应用于集成电路、传感器、存储器、生物植入、纳米机器人等领域。本课题将从一维金属氧化物微/纳米材料的应用出发,通过构筑双电极端结构的器件来对环境中热能和机械能进行利用,以实现单根一维微/纳米材料在纳米发电机、可调控电阻开关及可重复编辑的多比特非易失型存储器等方面的应用。目前,对于能够进行热电转换的纳米器件来说,其工作原理大多基于热电效应和热释电效应,这些器件的工作通常依赖于时间上或者空间上分布的温度梯度。为了解决器件对温度变化的依赖,本文制备了一种能在恒温条件下获取热能并产生稳定直流电信号的微/纳米热发电机,在工作时无需营造出时间或空间上分布的温度梯度。这种微/纳米发电机是单根Zn2-XSnO4/ZnO核壳结构微/纳米线构造的双电极结构器件,在207至300 oC时,单个器件的电流输出达到最大值,通过并联发电机可进一步提高电流值,可作为自供能系统驱动热敏电阻工作。微/纳米热发电机工作原理可归因于由单根微/纳米线两端的成分差引起的费米能级差,以及加热过程中电子的带间跃迁。这种在恒温下工作的微/纳米发电机在热能利用方面具有巨大的应用潜力。在信息存储方面,对于大部分纳米结构的随机存储器,其信息写入方式主要集中于外加偏压,本文制备了一种基于单根K和Cl共掺ZnO微/纳米线的巨热阻开关效应,可由温度控制电阻开关比值,并能够在温度撤离后保持电阻值,实现以温度为信息写入方式的多比特非易失性存储器。由于K和Cl的掺入,在晶格中形成大量缺陷,这些陷阱可以作为俘获和局域电子的中心。高温时,陷阱中的电子在低偏压下逃逸出陷阱,并且随着温度的升高,陷阱中电子被激发的深度增加,从而使器件获得不同程度的电阻态。当温度恢复至室温后,陷阱中被激发的电子可通过外加偏压重新注入陷阱中,并且电子填充的程度由外加偏压大小决定,因此器件可以利用不同的温度及电压来实现多位信息写入及擦除。本章中基于单根ZnO:K,Cl微/纳米线的双电极结构器件,为巨热阻性能研究以及温度信息的存储提供了新思路。对于大多数肖特二级管而言,通常需要栅电压或者特殊器件结构来实现二极管的可控性。本文制备了一种基于单根ZnO:In微/纳米线的背对背二极管,可通过源极电压和漏极电压来调控该器件的电学性能,并且获得相应电压信息的非易失性存储性能。其工作原理为通过加热和施加电场的共同作用来调制陷阱态中的电子浓度,从而达到调节器件阻态的作用。由于电场注入的电子被陷阱局域,使得这种基于单根微/纳米线的器件能够保持相应的阻值状态。本文介绍的基于单根ZnO:In微/纳米线二极管对非易失性传感器及多阻态信息存储器的发展具有重要的参考价值。对于大多数压阻材料而言,电阻的变化与应力作用是即时发生的,因此压阻材料大多应用于应力传感中,在非易失性存储器中的应用非常受限。本文还在柔性衬底上构筑了单根ZnO:In微/纳米线双电极结构器件,利用陷阱对电子的俘获/释放来实现压阻信息的存储,并且通过压力-电场调控陷阱中的电子浓度来获得不同阻态的传感及存储效果,对应力调控的非易失性传感及信息存储具有巨大的研究意义。


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