發(fā)布時(shí)間：2017-12-02 15:02

  本文關(guān)鍵詞：基于氧化石墨烯的柔性阻變存儲(chǔ)器及自旋輸運(yùn)特性研究

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【摘要】：柔性電子是近年來(lái)非常熱門的一個(gè)研究方向,具有激動(dòng)人心的應(yīng)用前景。例如可穿戴設(shè)備,電子皮膚,皮膚傳感器,可折疊電路等。值得注意的是,由于塑料柔性襯底無(wú)法耐受高溫,所以如果材料制備工藝需要高溫過(guò)程,這將會(huì)大大制約其在柔性電子上應(yīng)用。存儲(chǔ)器方面,對(duì)于非揮發(fā)型存儲(chǔ)器而言,傳統(tǒng)的Flash功耗較大(大電壓下注入熱載流子),寫入和讀出速度較慢,以及擦寫次數(shù)不高,所以勢(shì)必需要研究其替代技術(shù)。近些年來(lái),新型非揮發(fā)型存儲(chǔ)器技術(shù)得到了廣泛的研究,而作為其中一個(gè)非常有前景的技術(shù),阻變存儲(chǔ)器(RRAM)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功耗小,讀寫速度快,數(shù)據(jù)保持時(shí)間長(zhǎng),尺寸縮小潛力巨大(與工作機(jī)理有關(guān))得到很多關(guān)注。找到一種不需要高溫工藝過(guò)程,并具有良好阻變性能的材料作為阻變功能層,那么就可以制備成功一種柔性的阻變存儲(chǔ)器。另一方面,由于石墨烯納米帶的邊緣碳原子能夠顯著影響其輸運(yùn)特性。如果其與氧原子結(jié)合,形成氧化石墨烯納米帶,那么氧化石墨烯納米帶的輸運(yùn)特性是否有新穎的物理現(xiàn)象與應(yīng)用也非常值得研究。論文的具體內(nèi)容包括下面三個(gè)部分：1、通過(guò)室溫下旋涂氧化石墨烯(GO)的方法,在柔性襯底上成功制備了Al/GO/ITO/PET結(jié)構(gòu)柔性阻變存儲(chǔ)器(RRAM)。對(duì)于GO薄膜進(jìn)行了拉曼光譜、X射線光電子能譜、原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡薄膜表征。使用安捷倫B1500A電學(xué)測(cè)試平臺(tái)對(duì)于整個(gè)RRAM器件性能進(jìn)行電學(xué)表征。研究表明,Al/GO/ITO/PET柔性RRAM,低阻值為774Ω、高阻值為224kΩ,高低阻值之比約為280,擦寫100次以上沒(méi)有明顯性能退化,高低阻數(shù)據(jù)保持時(shí)間大于104秒。不同脈寬時(shí)間的脈沖電壓擦寫研究發(fā)現(xiàn),tESET速度100 ns快于SET速度100μs。結(jié)果與傳統(tǒng)金屬氧化物材料相反。RESET和SET的速度差異可以用電子注入和拉離影響氧原子遷移勢(shì)壘來(lái)解釋。2、使用基于非平衡格林函數(shù)和密度泛函方法的模擬軟件(ATK)在原子級(jí)別下對(duì)GO RRAM進(jìn)行建模,計(jì)算了三種氧原子分布方式下(完全氧化,形成氧空位細(xì)絲和細(xì)絲斷裂)的I-V曲線輸運(yùn)特性。當(dāng)形成氧空位細(xì)絲時(shí),電流明顯增大,然而氧空位細(xì)絲斷裂時(shí),又回到與完全氧化狀態(tài)相同的小電流狀態(tài)。理論上證明了GO RRAM對(duì)于氧空位高度敏感,氧空位細(xì)絲理論可以用來(lái)解釋GO RRAM的阻變過(guò)程。其次,采用隧穿原子力顯微鏡(Tunneling-AFM)表征進(jìn)一步研究GO內(nèi)在阻變規(guī)律。隧穿原子力顯微鏡觀察到了pA級(jí)別小電流的GO薄膜本征阻變,并研究了阻變區(qū)域大小與約束電流的關(guān)系。另外,通過(guò)數(shù)學(xué)建模(MATLAB),將阻變功能層的等效為微型電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò),計(jì)算電壓分布并對(duì)于每個(gè)微型電阻開關(guān)進(jìn)行SET和RESET過(guò)程,可以觀察到猜想的細(xì)絲擴(kuò)大過(guò)程和斷裂過(guò)程。模型計(jì)算得到的阻變特性曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎一致。驗(yàn)證了微型電阻開關(guān)模型的正確性。3、使用非平衡格林函數(shù)和密度泛函的方法理論上研究了氧化鋸齒型石墨烯納米帶的邊緣碳原子的自旋輸運(yùn)特性。通過(guò)氧化石墨烯納米帶的邊緣碳原子,可以影響溝道的空間態(tài)密度分布,進(jìn)而調(diào)制不同自旋方向電子的輸運(yùn),證明氧化石墨烯納米帶具有很好的自旋應(yīng)用前景。理論結(jié)果表明,可以通過(guò)改變兩端電極磁場(chǎng),實(shí)現(xiàn)大于104%的磁阻。并且發(fā)現(xiàn),如果兩邊電極磁場(chǎng)方向處于同方向(paralle 1),溝道只允許自旋向下的電子通過(guò),即可以實(shí)現(xiàn)自旋過(guò)濾,自旋極化比在小偏置電壓下可以達(dá)到80%以上。最后通過(guò)空間態(tài)密度分布和能帶選擇性分析解釋了氧化石墨烯納米帶自旋閥和自旋過(guò)濾的機(jī)理。
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP333

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本文編號(hào)：1245292