新型可降解材料的制备及瞬态阻变存储器件的研究

摘要

瞬态电子器件是基于传统电子器件的基础上，实现了电子器件概念上的颠覆，在生物医学器件、安全存储器件和环境传感器等领域有着广阔的应用前景，引起了人们极大的研究兴趣和关注。瞬态电子器件是一种新型的电子器件，当它们受到一定的触发时，可以在物理性的和/或功能上部分或全部消失。近年来，瞬态电子技术的研究促进了各类电子器件的快速发展。瞬态电子设备在现代一次性电子设备中起着不可或缺的作用，并且创造了传统电子设备或系统无法解决的潜在应用领域。然而，瞬态技术仍处于起步阶段。研究瞬态材料和器件在生物医学、军事和安全情报应用领域有着巨大的价值。但是，瞬态材料的选择有一些局限性。因此，探索可根据需要快速完全降解的瞬态电极、材料和基板具有重要意义。　　在这项工作中，我们基于纯无机钙钛矿CsPbBr3材料的湿度不稳定性，首先探讨了纯无机钙钛矿 CsPbBr3 薄膜作为器件介电层用于实现具有灵活柔性的Ag/CsPbBr3/PEDOT∶PSS/ITO结构的瞬态存储器件。这种柔性的非易失性存储器件具有可重现的电阻切换性能，均匀的开关电压，高和低电阻状态的集中分布以及50 个弯曲时间内的良好机械稳定性。存储器件的元素映射图像揭示了电阻切换机制通过CsPbBr3层中金属Ag细丝的电化学形成/溶解来解释。更重要的是，我们证明了CsPbBr3薄膜和存储器件可以在60秒内在去离子水中快速溶解，显示出瞬态特性。此外，在装置溶解在去离子水中后，光学和电学性质完全消失。我们发现基于全无机钙钛矿 CsPbBr3的瞬态存储器件在安全数据存储系统和一次性电子产品中具有巨大的应用潜力。　　基于钙钛矿材料的器件尽管材料新颖、结构简单，但是钙钛矿材料的不稳定性对器件的应用还是有很大影响，并且其窗口比较小，同时材料含有毒铅，不利于该瞬态电子器件在生物医学上的应用。因此为了更进一步探索瞬态阻变器件的实际应用和可操作性，我们选择了生物蛋白质进行了研究。生物材料由于其溶液加工性，生物相容性和生物可吸收性，作为可生物降解和瞬态电子器件的有用结构组件而受到关注。我们制备了来自人发的具有可溶解性的角蛋白材料作为电阻开关存储器件的固体电解质层，我们发现器件具有良好的电气性能，高透射率和物理瞬态特性。该非易失性存储器件具有可再现的电阻切换性能，均匀的切换电压以及集中分布的高/低电阻状态。我们的存储器件中的电阻切换机理是通过角蛋白层中Ag金属丝的电化学形成/破裂来描述的。此外，角蛋白薄膜可在30分钟内溶解在去离子水中，呈现存储器件的潜在可生物降解和物理瞬态特性。生物相容性存储器件作为存储器应用的有希望的候选者，发挥环境友好，可持续和低成本的作用。　　最后，本文指出了瞬态阻变存储器件相对于传统阻变电子器件所具有的优势，并针对材料、器件的进一步优化、后续发展的可能性进行展望。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2.1 新型非易失性存储器件

1.2.2 阻变存储器件的研究进展

1.2.3 阻变存储器的特性分类及阻变机理模型

1.2.4 阻变存储器的性能评价参数

1.3.1 瞬态器件的研究现状

1.3.2 基于生物材料的存储器件

1.3.3 瞬态阻变器件的发展现状及应用

1.4.1 选题意义

1.4.2 研究方案

2 实验部分

2.1.1 实验原料及试剂

2.1.2 实验仪器及装置

2.2 薄膜与器件的制备

2.2.1 纯无机钙钛矿薄膜的制备

2.2.2 瞬态Ag/CsPbBr3/PEDOT∶PSS/ITO器件的制备

2.2.3 人发角蛋白的制备

2.2.4 瞬态Ag/角蛋白/FTO器件的制备

2.3.1 薄膜材料的表征方法

2.3.2 阻变存储器件的电学性能表征方法

2.4 本章小结

3 瞬态Ag/CsPbBr3/PEDOT∶PSS/ITO器件的表征及性能研究

3.1 引言

3.2.1 纯无机钙钛矿CsPbBr3薄膜的形貌表征

3.2.2 纯无机钙钛矿CsPbBr3薄膜的光学性能表征

3.3 基于CsPbBr3柔性阻变存储器的表征分析

3.3.2 Ag/CsPbBr3/PEDOT∶PSS/ITO器件的电阻开关特性和可重复性

3.2.3 Ag/CsPbBr3/PEDOT∶PSS/ITO器件的机械性能

3.3.4Ag/CsPbBr3/PEDOT∶PSS/ITO器件的阻变机理分析

3.2.5 Ag/CsPbBr3/PEDOT∶PSS/ITO器件的截面表征

3.4.1 瞬态阻变器件的形貌变化

3.4.2 瞬态阻变器件的光学和电学性能变化

3.5 本章小结

4 瞬态Ag/角蛋白/FTO结构阻变存储器件的性能研究

4.1 引言

4.2 角蛋白薄膜的表征

4.2.1 角蛋白薄膜的形貌表征

4.2.2 角蛋白薄膜的性能表征

4.3.1 Ag/角蛋白/FTO阻变器件的结构

4.3.2 Ag/角蛋白/FTO阻变器件激活过程及电阻开关特性

4.3.3 Ag/角蛋白/FTO阻变器件可重复性和耐久性

4.3.4 不同限制电流对器件阻变特性的影响

4.3.5 不同电极尺寸对器件阻变特性的影响

4.4 Ag/角蛋白/FTO阻变器件阻变机理分析

4.4.1 Ag/角蛋白/FTO阻变器件C-AFM测试结果分析

4.4.2 Ag/角蛋白/FTO阻变器件阻变机理的探讨

4.5.1 器件的形貌变化

4.5.2 器件的电学性能变化

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 未来展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读学位期间获得的奖励

C 学位论文数据集

致谢

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