基于可拉伸电极的TiO2/ZnO薄膜阻变特性研究

来源 :东北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:byang1234
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阻变存储器由于结构简单,存储密度高,体积小等优点被视为是下一代通用的非易失性存储器。同时,随着可穿戴器件的飞速发展,对阻变存储器的柔性性能又提出很高的要求,实现可延展。柔性阻变存储器的存储性能主要取决于功能层,因此研究机械应力对功能层微观结构的影响就显得格外重要。以往的机械性能测试,无论是弯折还是扭转,都会使薄膜受到来自基底的挤压,加上功能层与电极之间弹性模量的差异,易导致脱层,从而对研究薄膜在机械应力作用下的阻变特性形成干扰。拉伸薄膜时,薄膜只受水平方向的力。而目前,关于研究功能层耐拉伸性能的报道还比较少。本文以银纳米线(AgNWs)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性电极,用水热法制备TiO2纳米粒子,溶胶凝胶法制备ZnO纳米粒子,通过调控纳米粒子复合方式和优化薄膜结构来获得最佳器件,并采用第一性原理计算和有限元分析研究纳米薄膜的阻变特性和应力分布,以探究拉伸对薄膜阻变特性和电荷输运的影响。主要研究内容如下:首先,通过水热法制备TiO2纳米粒子,用旋涂法在自制的AgNWs/PDMS柔性电极上制备薄膜。通过调控薄膜层数发现,TiO2薄膜为三层时,开关比最大(~2719)。其原因可能是薄膜层数过低时,膜内缺陷较多,有效厚度较薄,导致开电流变大。当薄膜层数过多时,电流不易导通,低阻态电流太小;选取最佳样品进行拉伸实验,拉伸100次,开关比下降49.7%,阈值电压从0.8V增加到1.8V,归因于拉伸使薄膜产生很多纵向裂纹,液态镓铟上电极渗入膜层,使薄膜更易导通阻态电流增大。利用扫描电子显微镜(SEM)观测薄膜拉伸之后表面形貌,发现薄膜表面有很多微裂纹。采用双log拟合高阻态Ⅰ-Ⅴ时发现,不同拉伸次数下,薄膜的电荷输运机理符合SCLC,说明拉伸并未对薄膜输运机理产生影响。其次,我们采用溶胶凝胶法制备ZnO纳米粒子,与TiO2构成n-n同型异质结,制备分层复合薄膜器件。通过调控ZnO纳米粒子水热温度和薄膜层数发现:ZnO水热温度在160℃时,分层薄膜器件开关比最大(~2652),开电压在-1.8V左右,电荷输运方式复合SCLC。第一性原理计算发现,相比单一TiO2薄膜,TiO2/ZnO分层界面减缓电子态密度,引入更多能级,使载流子更易迁移,增大高阻态电流,降低开关比;ZnO层数为两层时,器件开关比最大,阈值电压最小,说明膜层结构致密。选取最佳样品进行拉伸实验,通过Ⅰ-Ⅴ曲线发现,薄膜高阻态电流很大,从而减小器件的开关比,但是稳定性得到提高。对分层薄膜进行拉伸实验,拉伸100次时,开关比下降63.2%,开电压为2.3V;拉伸300次时,器件已经不再具有阻变特性。最后,选取ZnO纳米粒子跟TiO2纳米粒子进行不同摩尔比的物理复合,结论发现,当TiO2:ZnO比为2:1时,薄膜器件开关比最大(~1789),阈值电压最小(0.6V),随着ZnO复合比例增大,薄膜开关比降低。这是由于ZnO粒径(~110nm)大于TiO2粒径(~10nm),ZnO纳米粒子过多,会在薄膜内部引入缺陷,TiO2和ZnO界面之间形成真空能级,影响电子在导带之前的迁移,从而降低薄膜低阻态电流。我们对最佳样品进行拉伸试验时发现,随拉伸次数增加,薄膜开关比降低,薄膜SEM图像和有限元分析表明,薄膜表面产生大量微裂纹,破坏导电通路的形成,影响载流子的输运。由于弹性模量的差异,TiO2和ZnO纳米粒子之间更易产生裂纹,从而影响肖特基势垒的形成,降低低阻态电流。拉伸对于薄膜的电荷输运方式没有明显影响,高阻态符合SCLC,斜率逐渐减小。同时,我们对比研究拉伸对化学复合薄膜阻变特性影响,发现化学复合薄膜的耐拉伸性更好,其低阻态电流值大于物理复合低阻态电流值,可能是化学复合改变薄膜内部微观结构,使薄膜更致密,进入影响薄膜的阻变特性。总而言之,拉伸对薄膜产生的微裂纹会使其漏电流增大,开关比减小,但是对薄膜内部电荷输运没有明显影响,化学复合薄膜相比物理复合薄膜更耐拉伸。本文对后续优化和改善薄膜耐拉伸性能和实现其在延展领域的使用可提供一定参考。
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