检索结果-南通市图书馆

作者：马佳杰东北大学

学位级别：硕士

以闪存为代表的传统存储器,已经到了尺寸缩减的瓶颈期,而在众多新型非易失性存储器中,阻变存储器凭借其功耗低、擦写速度快、延展性高、寿命长、CMOS兼容性等优点,被认为是未来最有可能取代闪存的新产品。阻变存储器在大规模集成中,一... 详细信息

以闪存为代表的传统存储器,已经到了尺寸缩减的瓶颈期,而在众多新型非易失性存储器中,阻变存储器凭借其功耗低、擦写速度快、延展性高、寿命长、CMOS兼容性等优点,被认为是未来最有可能取代闪存的新产品。阻变存储器在大规模集成中,一直受到漏电流问题的困扰,为此开发出了 1D1R、1T1R、1S1R、CRS等多种单元结构来抑制漏电流。关于1D1R型阻变存储器的研究起步最早,报道最多,其相较于其它结构具有结构简单、单元面积小、易于集成等优点,受到了各大半导体企业的重视,但是关于其弯折失效机制却少有研究。本课题构建了有机/无机异质结的二极管和导电细丝类型的阻变单元,并探究了不同电极的影响,以及弯折对于二极管、阻变单元和1D1R的影响。论文主要内容如下:首先,以Al和GaIn为上下电极,选用有机材料9,9-二正辛基芴-苯并噻二唑共聚物(PFBT)和无机材料ZnO构建有机/无机异质结的二极管,通过改变电极(Au,Ag,Cu,Al)、膜层结构、插入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),并对二极管的理想因子和零偏压势垒高度进行计算,对二极管整流曲线进行线性拟合分析其输运机制,结合Abaqus分析其弯折失效机制。结果表明,不同种类的金属顶电极并未明显改变整流特性,可排除电极/功能层界面的影响;二极管正向偏压下满足热电子发射机制,负向偏压下满足P-F效应;随着外弯次数的增加,负向偏压下逐渐向欧姆传导过渡,正向偏压也逐渐向非理想状态偏移。其次,以TiO纳米粒子为阻变介质,Al为上电极,研究不同下电极(Al,Ag,Cu,ITO)对阻变特性的影响。结果表明,器件随着底电极金属功函数的增加,器件的开关比基本呈现增加的趋势,不同活性的电极对阻变稳定性有较大影响。对于化学活性较好的Ag、Cu电极,薄膜在生成氧空位导电细丝的同时,同时在薄膜内部会生成与底电极对应的金属导电细丝,这两种细丝的共同作用,一定程度上引起了阻变特性的不稳定;对于活性较差的ITO、Al电极,其阻变机理为单一的氧空位导电细丝,具有较好的阻变稳定性。实验选择阻变特性最优的Al/TiO/Al器件探究弯折对阻变机理的影响,器件在外弯3000次后,开关比出现较大退化,模拟发现TiO膜层的应力要明显大于上下Al电极层,因此在应力累积下,裂纹最先可能萌生在TiO层,并逐渐向上下电极蔓延。最后,通过将Al/PFBT/PMMA/ZnO/GaIn二极管和Al/TiO/Al阻变单元组合形成1D1R单元,并进行内外弯对比,发现二极管相较于阻变单元具有更好的抗弯折特性,无论在内弯中,1D1R单元的整流特性要先于阻变特性发生退化,1D1R单元在弯折600次后,二极管产生退化,此时ZnO层首先出现破坏,使得异质结内建电场破坏,整流特性下降;器件可在正负偏压下发生阻变,弯折1000次后,器件的阻变曲线逐渐向滞回曲线过渡,阻变现象逐渐消失,此时,器件内部的微裂纹生长已对氧空位细丝的主干产生破坏,使得器件难以形成完整的细丝通道。1D1R单元在外弯下的失效要比内弯下剧烈,器件承受拉应力要比压应力敏感,更容易造成裂纹、脱层、屈曲等失效形式。

关键词： 1D1R 有机/无机异质结弯折失效阻变

变温弯折对WO3基柔性忆阻器电学特性影响的研究

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变温弯折对WO3基柔性忆阻器电学特性影响的研究

作者：杨飞东北大学

学位级别：硕士

忆阻器件是一种新兴电气元件,可以实现丰富的跨学科科学和新颖的器件功能,例如非易失性存储器和基于纳米离子的突触电子器件。WO3作为一种宽带隙半导体,由于内部的氧离子运动和膜内氧化态转变具备了电阻变化能力,使得基于氧化钨的忆阻... 详细信息

忆阻器件是一种新兴电气元件,可以实现丰富的跨学科科学和新颖的器件功能,例如非易失性存储器和基于纳米离子的突触电子器件。WO3作为一种宽带隙半导体,由于内部的氧离子运动和膜内氧化态转变具备了电阻变化能力,使得基于氧化钨的忆阻器件展示出了可调控的突触可塑性。这使得氧化钨已成为神经形态计算中人工智能纳米器件的首选材料之一。然而,基于WO3的忆阻器件最理想的形态和相位仍然难以捉摸,而且为了进一步将忆阻器应用于柔性神经形态电子学,也需要在切换和多功能特性方面做出努力。因此,本课题选择忆阻特性出色的WO3,通过退火、pH处理以及界面调控,在PET/ITO柔性衬底上制备了电学性能较好的柔性忆阻器件,结合变温弯折测试和ABAQUS有限元分析,探究了外部机械应力对WO3基柔性忆阻器弯折失效机制。系统地探究了不同的退火温度、pH和顶电极对WO3纳米薄膜电学特性的影响。制备的WO3纳米粒子为单斜相结构,随着退火温度的增加,晶粒数量和尺寸显著增加;不同水热前驱体溶液pH对应不同的纳米结构。pH为2.0时的块状微砖和一些具有方形顶面的厚四方纳米棒、pH为1.5时的纳米片、pH为1.0时的大量纳米棒组成的束和pH为0.5时的较小尺寸不规则纳米结构组成的WO3薄膜;在电学测试中发现,不同结晶度和形貌结构的WO3薄膜均具有明显的双极性电阻开关特性和良好的循环耐久性。随退火温度升高,WO3薄膜的阈值电压总体呈增大趋势,开关比逐渐增大。在更高的结晶度时,由于薄膜的结晶致密结构,开始限制载流子的输运,其开关比开始降低。pH=1.5时合成的薄膜开关比最大;分别以Ag、Al和Cu为顶电极制备了Ag/WO3/ITO、Al/WO3/ITO 和 Cu/WO3/ITO 器件,发现 Ag/WO3/TO 忆阻器件作为非易失性存储器件,开关比较大且具有很好的耐久性,并且在低阻态时均符合欧姆传导,高阻态的低偏压区为欧姆传导,高偏压区为空间电荷限制电流（SCLC）导电机制。基于WO3纳米薄膜材料,在ITO/PET柔性基底上构建了 Ag/ZnO/WO3/ITO、Ag/PEDOT:PSS/WO3/ITO、Ag/P3HT/WO3/ITO 和 Ag/P3HT/WO3/P3HT 四种不同结构的WO3基柔性忆阻器,研究了不同界面对器件电学稳定性的影响。发现四种柔性忆阻器件都有很好的非线性传输特性,可以动态地反应外界电学信号所引起的变化,具备突触基本的传输性质。在经验式-遗忘过程的模拟中,经过初次学习遗忘过程后,第二次和第三次记忆恢复所需的电压刺激越来越少,表明具有“学习经验”的柔性忆阻器将使重新学习被遗忘的信息变得更加容易。在20℃到100℃范围内的I-V测量表明,四种柔性忆阻器电流变化随着温度的升高而进一步加速,即使在100℃的高温下也能正常工作。但是Ag/P3HT/WO3/ITO忆阻器件的电阻变化最小,说明环境温度对该器件电学特性影响不大,可以用作稳定的柔性类神经突触模拟忆阻器件。进一步探究了变温弯折对WO3基柔性忆阻器的热机械疲劳寿命的影响规律。通过对器件进行不同弯折半径（7 mm、9 mm、11 mm、13 mm、15mm）测试,发现弯折半径越小,器件电学性能下降越快。这是因为弯折条件下薄膜内会萌生大量裂纹阻碍载流子的输运,使忆阻器件电学性能下降。对器件进行弯折疲劳测试发现,发现Ag/ZnO/WO3/ITO器件多次弯折后电导率下降最大,裂纹密度从1.1%增加到9.4%,器件性能最差。而Ag/WO3/P3HT/ITO器件电导率下降最慢,裂纹密度最低,器件的机械疲劳性最好。这是因为弯折条件下有机薄膜中应力较小,一定程度上抑制了无机薄膜中裂纹的萌生与扩展。选择机械疲劳特性最好的Ag/P3HT/WO3/ITO器件进行变温弯折测试,发现弯折使薄膜中晶粒间形变量增大,进而本征应力增大,由于晶界的强度远远小于晶粒的强度,其会造成晶粒间的位错,使器件的性能受到一定的影响。进一步,温度的变化会使薄膜热应力增大,由于本征应力和热应力的相互作用,加大了薄膜裂纹萌生的概率,并大大提升了裂纹的扩展的速率,最终演变为贯穿裂纹充当界面壁垒,抑制了 Ag离子的传送,使得器件的电学特性变差。总之,本工作探索了 WO3纳米粒子在非易失性存储器和突触电子器件方面的电学特性,深入分析了变温弯折对柔性忆阻器的热机械疲劳寿命的影响,为WO3纳米粒子在柔性忆阻器和神经突触模拟研究中的应用提供了实验研究和理论分析参考。

关键词： WO3纳米粒子忆阻器阻变特性突触模拟弯折失效

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弯折对ZnO基柔性薄膜阻变特性的影响研究

弯折对ZnO基柔性薄膜阻变特性的影响研究

作者：李润霞东北大学

学位级别：硕士

随科技发展,为解决传统无机阻变存储(RRAM)器件刚、硬的缺点以及常用有机柔性器件物理性能较差的问题,故引入柔性无机阻变存储器件。将RRAM薄膜沉积在柔性基底上,既保留无机半导体的高性能,又可获得良好的延展性。以常用金属氧化物材料... 详细信息

随科技发展,为解决传统无机阻变存储(RRAM)器件刚、硬的缺点以及常用有机柔性器件物理性能较差的问题,故引入柔性无机阻变存储器件。将RRAM薄膜沉积在柔性基底上,既保留无机半导体的高性能,又可获得良好的延展性。以常用金属氧化物材料为例,系统的探讨机械应力对柔性RRAM阻变特性的影响。ZnO具有电子迁移率高和透明性好等特点,使其成为最常用的金属氧化物RAMM材料之一。因此,本文选择采用ZnO作为主要阻变材料,通过调节制备参数和复合方式等研究弯折前后薄膜开关特性的变化,探究弯折对柔性无机薄膜阻变存储特性的影响。工作内容如下。首先,采用溶胶凝胶水热法制备ZnO纳米粒子,在PET基底上制备器件GaIn/ZnO/ITO。研究水热时间对ZnO纳米粒子薄膜阻变特性的影响,发现器件开关比呈降低趋势,而阈值电压先增大后减小。选水热200℃保温2h所得纳米粒子制成的薄膜样品进行后续弯折试验,改变弯折次数和弯折半径,发现弯折后薄膜阈值电压升高,开关比明显下降。弯折前后输运机制为SCLC,阻变机理为氧空位细丝的形成与断裂。同时通过Abaqus计算膜基结构所受应变,理论分析弯折半径的影响,发现ZnO层由于弹性模量较大而最先发生破坏,半径减小施加机械应力增大,薄膜内微裂纹萌生和积累,从而影响薄膜阻变特性。其次,选择典型P型氧化物NiO,将NiO与ZnO混合得到不同摩尔比的ZnO/NiO物理复合纳米粒子并研究其开关特性。薄膜内存在pn异质结,导致开关比相对于纯ZnO薄膜增大至103,发现随NiO含量增多,阈值电压升高,开关比下降,器件阻变机理转化为界面势垒与空为细丝型共同作用。改变弯折次数和弯折半径,发现纳米粒子薄膜阈值电压增大,开关比骤然降低,下降了两个数量级,原因为无机薄膜断裂一般发生在晶界,随后薄膜裂纹萌生和扩展,晶界势垒增大。最后,制备不同分层结构的NiO-ZnO纳米粒子薄膜,发现分层薄膜内不仅包含pn界面势垒,并且新增功能层与电极之间的界面势垒,其中NiO-ZnO-NiO分层薄膜平平均阈值电压和开关比最大,约为-3.7V和3644。测试弯折前后器件的阻变特性,发现弯折后薄膜的电学特性降低,但是没有改变薄膜的输运机制和阻变机理。并结合Abaqus计算,发现功能层厚度增加,使得膜基系统中性轴偏移,施加在功能层上的应力值减小。计算不同结构分层薄膜所受机械应力,NiO-ZnO-NiO结构中NiO层的引入使得ZnO和ITO层的机械失配应变减小,同时NiO作为覆盖层共同作用使得此膜基系统在相同半径下所受机械应力最小,故同等条件下机械弯折应力对其阻变特性的影响最小。利用第一性原理计算不同接触的p-n界面对薄膜器件阻变特性的影响,不同分层薄模型的费米能级均深入价带部分,表现为P型导电,各模型中的峰位置、高度以及数量也均发生了变化。由于接触的界面不同则界面的势垒发生变化,三种分层模型导电性大小为NiO-ZnO-NiO分层结构>ZnO-NiO分层结构>ZnO-NiO-ZnO分层结构,与实验数据相反,故在分层结构中界面型占主导地位。总之,弯折后所制备的锌基纳米粒子仍具有可重复电阻开关特性,但其开关比下降,阈值电压增大。本文研究对柔性无机纳米粒子阻变存储器有参考价值。

关键词：柔性电子 ZnO纳米粒子 NiO纳米粒子弯折失效开关特性

弯折对HfO2基柔性薄膜电阻开关特性影响研究

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弯折对HfO2基柔性薄膜电阻开关特性影响研究

作者：崔海鹏东北大学

学位级别：硕士

随着柔性电子概念的提出,人们纷纷将目光转向柔性电子器件的研发中,例如可穿戴设备,柔性太阳能电池和电子皮肤等。存储器方面,尤其是进入22nm工艺结点之后,闪存半导体的发展受到的阻碍,因此,研发新型的纳米尺度阻变存储器（RRAM）已成... 详细信息

随着柔性电子概念的提出,人们纷纷将目光转向柔性电子器件的研发中,例如可穿戴设备,柔性太阳能电池和电子皮肤等。存储器方面,尤其是进入22nm工艺结点之后,闪存半导体的发展受到的阻碍,因此,研发新型的纳米尺度阻变存储器（RRAM）已成为国内外研究的热点。然而如何将RRAM沉积在柔性基底上,使其即保留无机半导体材料卓越的电阻开关特性,又具有较好的耐弯折特性已成为阻碍柔性阻变存储器发展的重要障碍。因此,本课题选择采用阻变特性较好的HfO2纳米材料,通过掺杂及界面调控,并结合第一性原理和ABAQUS软件计算,探究弯折对HfO2基柔性薄膜电阻开关特性影响。论文的主要研究内容包括:（1）采用水热-焙烧法制备单斜相HfO2纳米粒子,结晶度良好,粒子尺寸为7-18nm。其中500℃焙烧时,FfO2的结晶性最好,阈值电压较低,开关比最大（723）。HfO2纳米粒子的的开关机理可归结为氧空位细丝的生长和断裂。随后选取最佳焙烧温度,制备Li掺杂HfO2纳米粒子,发现低价Li元素以替代Hf形式掺杂可有效提高器件内氧空位浓度,增强氧空位细丝的形成。选取阻变特性最好的FfO2纳米粒子进行不同弯折半径（4-10mm）进行弯折测试,发现弯折后薄膜随弯折半径的降低开关比明显降低,阈值电压升高,输运机制没有明显改变,弯折产生的微裂纹导致细丝不完全断裂,使细丝和欧姆接触共同作用。进而选取10mm弯折半径进行不同次数的弯折测试,发现弯折次数超过2000次时,器件的阻变特性开始退化。（2）研究不同膜层顺序对器件阻变特性的影响,发现FfO2/NiO结构因具有较低的势垒高度而具有良好的阻变特性,同时相较于单层器件,因增加了 NiO功能层而使器件中氧空位细丝断裂位置集中在界面附近,从而提高器件稳定性。TiO2/HfO2结构的总体势垒高度略有升高,器件依然具有较好的电学特性。NiO/HfO2/TiO2结构因引入界面过多,输运机制变为TCLC主导,界面势垒总体升高,阻变特性变差。不同膜层阻变特性顺序为 HfO2/NiO＞TiO2/HfO2＞HfO2/TiO2＞NiO/FfO2＞NiO/HfO2/TiO2。同时构建Li-HfO2/NiO结构,发现Li掺杂HfO2因具有n型半导体特性与NiO构建成p-n异质结构,表现比叠层结构更为优异的阻变特性。（3）研究选取HfO2/NiO和Li-HfO2/NiO结构在10mm弯折半径下进行不同次数的弯折试验,发现NiO/HfO2器件弯折3000次后阻变特性明显下降,而NiO/Li-HfO2器件可保持5000次。同时,随着弯折次数的增加,器件的输运特性由SCLC向SCLC与欧姆传导共同作用转变。ABAQUS有限元分析表明,当弯折半径下降到10mm时,裂纹开始在功能层中部萌生,并随着弯折半径的减小使裂纹逐渐扩展,同时切断氧空位细丝的枝干,使细丝不完全断裂。当弯折半径下降到5mm时,裂纹在功能层中生长为贯穿裂纹,使器件的阻变特性严重退化。总之,通过合理控制掺杂缺陷和设计异质界面等措施制备的HfO2基器件在弯折后仍具有可重复的阻变特性,但弯折产生的微裂纹可使器件的阻变特性衰退。本文研究对无机柔性阻变存储器具有参考价值。

关键词： HfO2 阻变特性弯折失效异质界面导电细丝