基于银离子迁移的忆阻器件制备及特性研究

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忆阻器作为第四个基本无源电子元件引起了广泛关注,其结构简单、便于集成等优势在非易失性存储和突触仿生模拟等领域有很大的应用潜力,根据阻变特性可以将忆阻器分为数字型忆阻器和模拟型忆阻器。其中,数字型忆阻器主要应用于非易失性信息存储;而模拟型忆阻器的非线性传输特性与生物突触高度相似,是搭建类脑神经网络的最佳候选者。根据对忆阻器的深入研究,多种转变机制被提出和验证,其中基于银离子迁移的导电细丝机制在不同材料的忆阻器中被探究,因此本文希望成功制备基于银离子迁移的忆阻器件并对器件的性能进行研究,分别实现其在数据存储和神经突触方面的应用,具体研究结果如下:1.为了实现数字型忆阻器阻变特性,我们利用了非晶碳、氧化锌、非晶硅等材料使用磁控溅射法制备了一系列忆阻器进行研究,通过对比转变电压、窗口等参数后,发现Pt/a-Si/Ag器件性能明显优于其他两个器件,且a-Si易于和现有CMOS器件集成从而实现大规模集成电路设计。面对该器件的波动性问题,通过插入AIST缓冲层来优化硅基忆阻器,成功制备了Pt/a-Si/Ag In Sb Te(AIST)/Ag器件,通过物性表征和电学测试,发现优化前后的阻态波动性参数由176.8%/46.2%下降到3.1%/11.9%,转变电压的波动性参数由47.4%/85.7%下降到5.7%/9.8%,器件的循环耐受性也由103次明显增强至大于104次,同时器件具有较快的转变速度(50 ns)、较长的保持时间(10年)、较低的功耗(15 fj)等优势,器件性能的提升可归因于:缓冲层的储Ag能力降低了阻变过程中Ag离子的过量迁移、增强了导电细丝形貌的可控性。2.为了实现模拟型忆阻器阻变特性,我们分别利用磁控溅射法和化学合成法在硅基和有机物材料中引入金属银纳米颗粒,成功制备的Pt/Si:Ag/Ag器件和Pt/PVDF:Ag/Ag器件均能实现模拟型忆阻功能。在研究过程中发现使用磁控溅射法难以调控银纳米颗粒的掺杂比例,使得Pt/Si:Ag/Ag器件阻变连续性较差,不利于实现对神经突触功能的模拟,利用化学合成法可以优化银纳米颗粒浓度,在对不同掺杂浓度的器件进行研究后,发现当掺杂浓度达到140 phr时Pt/PVDF:Ag/Ag器件表现出良好的模拟型阻变特性,器件在激励过程中通过对银离子迁移过程的精确控制,使得该忆阻器可以对神经突触可塑性进行模拟,包括EPSC、PPF、STDP等。尤其是,有机材料的柔性特性还可以使器件具有较好的柔性、可贴合等特征。
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