弯扭对二氧化钛基纳米粒子薄膜阻变特性的影响研究

摘要

阻变存储器(RRAM)是以薄膜材料的半导体特性，在外加电场的作用下可实现高阻态与低阻态之间可重复转换为基础的非挥发存储器。在众多阻变存储材料中，二元金属氧化物又因生长可控，组分简单等优点而被大量研究。TiO2作为一种重要的宽禁带半导体材料，具有大介电常数，较高的离子传导率等优点。目前制备TiO2纳米粒子薄膜常用的基底多为玻璃、硅片等硬质的，而目前对柔性TiO2纳米粒子薄膜的阻变特性研究还比较少。本文采用水热法制备了TiO2纳米粒子，用旋涂法在PET柔性基底上制备了TiO2纳米粒子及钛铜复合纳米粒子薄膜，研究弯折对薄膜阻变特性的影响机理。 首先，用水热法制备了TiO2纳米粒子，研究不同的水热时间以及水热温度对纳米粒子薄膜阻变特性的影响，发现当水热条件为160℃，2h时制备出的纳米粒子的结晶性良好，粒径较小约为10nm，具有最佳的阻变特性。当薄膜以ITO/玻璃为基底时，其阈值电压约为2.1V，开关比为103左右，高阻态时的电荷输运符合空间电荷限制输运模型，开关机理可归因于氧空位导电细丝的形成和断裂。将TiO2纳米粒子旋涂在PET基底上，研究弯折的距离以及次数对柔性薄膜阻变特性的影响。完成夹持后，基片的大小为15cm×40cm，定义未发生弯折时，弯折距离为40cm。薄膜的阻变特性随着弯折次数的增加而逐渐衰退，当弯折距离为25cm时，弯折1000次后，薄膜阈值电压由1.4V提高到1.8V，开关比由2552降低到349。当弯折次数固定为500次时，随着弯折距离的减小，薄膜的阻变特性急剧衰退，当弯折距离为20cm时，薄膜已经破坏严重，基本不具备阻变特性。在多次弯折后纳米粒子薄膜发生了褶皱、甚至是断裂，膜基之间发生了滑移，薄膜器件的阻变特性消退。研究薄膜旋涂层数对薄膜耐弯折特性的影响发现，当旋涂2-3层时，薄膜弯折后具有良好的阻变特性，但是当旋涂层数达到5-6层时，薄膜的耐弯折特性明显降低，原因是薄膜的厚度增加，在弯折的过程中更易被破坏。 其次，采用水热法制备了n型的TiO2、p型的CuO以及TiO2-CuO化学复合的纳米粒子，并将n型的TiO2和p型的CuO纳米粒子按照不同的比例混合制备成钛铜物理复合纳米粒子薄膜，研究物理及化学复合比例所形成的p-n界面对薄膜阻变特性的影响。发现物理复合时薄膜器件的开关比降低而化学复合时开关比有较大提高，其原因是物理复合时TiO2与CuO界面处在物理复合时形成了p-n界面及隧穿势垒，隧穿势垒和p-n结的存在阻止了载流子的进一步注入，使器件的开关比降低;而化学复合时形成了导电性能良好的TiCuOx，一定程度上降低了捕获电子的释放势垒，使得开关比上升。对1∶1复合的物理及化学复合薄膜进行了不同弯折次数的实验，研究弯折对钛铜复合纳米粒子薄膜阻变特性的影响。研究发现物理复合的方式并没有能够改善纳米粒子薄膜的阻变特性以及耐弯折特性，而化学复合对薄膜阻变特性及耐弯折特性有所提高。物理复合时，薄膜弯折1000次后，薄膜器件的阈值电压由2提高到3，开关比由614降低到68，而化学复合时薄膜弯折2000次后，阈值电压由2提高到2.7，而开关比由3048降低到150。原因是物理复合时薄膜的混合不是非常均匀，在复合的过程中薄膜中形成了大量的缺陷，薄膜阻变特性降低，而化学复合时形成了TiO2-CuO化合物，薄膜的阻变特性变好。 最后，选取TiO2纳米粒子薄膜以及1∶1化学复合的钛铜化学复合纳米粒子薄膜进行了扭转实验，研究了扭转对TiO2纳米粒子薄膜及复合薄膜阻变特性的影响。研究发现，对于TiO2纳米粒子薄膜扭转200次后，薄膜的开关比就由2552降低到186;而对于复合的纳米粒子薄膜，在承受500次扭转后薄膜的阻变特性也基本消退。当器件进行扭转实验时薄膜中产生的剪切应力对薄膜产生的破坏远远大于弯折时拉伸对薄膜产生的破坏。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2二氧化钛纳米粒子的应用

1．2．1光催化

1．2．2生物医学

1．2．3太阳能电池

1．3二氧化钛纳米粒子在阻变存储的研究

1．4二氧化钛纳米粒子薄膜的制备方法

1．4．1溶胶-凝胶法

1．4．2水热法

1．4．3磁控溅射法

1．5二氧化钛纳米粒子薄膜柔性阻变存储研究

1．6本文的选题依据及主要研究内容

1．6．1选题依据

1．6．2研究内容

第2章弯折对二氧化钛纳米粒子薄膜阻变特性的影响

2．1二氧化钛纳米粒子的制备与阻变特性研究

2．1．1二氧化钛纳米粒子的制备

2．1．2水热时间对二氧化钛纳米粒子薄膜阻变特性的影响

2．1．3水热温度对二氧化钛纳米粒子薄膜阻变特性的影响

2．2弯折对二氧化钛纳米粒子薄膜阻变特性的影响

2．2．1弯折次数对二氧化钛纳米粒子薄膜阻变特性的影响

2．2．2弯折距离对二氧化钛纳米粒子薄膜阻变特性的影响

2．2．3弯折对不同旋涂层数二氧化钛纳米粒子薄膜阻变特性影响

2．2．4小半径下弯折次数对二氧化钛纳米粒子薄膜阻变特性影响

2．3二氧化钛纳米粒子薄膜阻变机理理论分析与计算

2．3．1开关机制分析

2．3．2二氧化钛纳米粒子的Material Studio理论计算

2．4本章小结

第3章弯折对钛铜复合纳米粒子薄膜阻变特性影响

3．1钛铜复合纳米粒子的制备与阻变特性研究

3．1．1复合纳米粒子制备

3．1．2复合比例对物理复合钛铜纳米粒子薄膜阻变特性的影响

3．1．3复合比例对化学复合钛铜纳米粒子薄膜阻变特性的影响

3．2弯折对钛铜复合纳米粒子薄膜器件阻变特性影响

3．2．1弯折次数对物理复合钛铜纳米粒子薄膜阻变特性的影响

3．2．2弯折次数对化学复合钛铜纳米粒子薄膜阻变特性的影响

3．2．3内弯对化学复合钛铜纳米粒子薄膜阻变特性的影响

3．3钛铜复合纳米粒子的Material Studio理论计算

3．4本章小结

第4章扭转对二氧化钛及钛铜复合纳米粒子薄膜阻变特性影响

4．1扭转实验介绍

4．2扭转对二氧化钛纳米粒子薄膜阻变特性影响

4．2．1阻变特性分析

4．2．2输运机制分析

4．3扭转对钛铜复合纳米粒子薄膜阻变特性影响

4．3．1阻变特性分析

4．3．2输运机制

4．4本章小结

5．1研究结论

5．2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文