铅基卤化物钙钛矿阻变存储器的特性及机理研究

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在信息发展飞快的时代,对信息存储的要求越来越高,传统的闪存已经满足不了现在的需求,需要寻找新型的替代品。与其他新兴的替代器件相比,阻变存储器(RRAM)展现出功耗低、切换速度快、保持特性久、双端结构简单、集成密度高以及与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的优点,因此RRAM被认为是最有前途的替代品之一,可以应用于高密度存储、存储类存储、神经形态计算等。RRAM是由上、下金属电极和中间绝缘阻变层的三明治结构构成,其中最主要的是选择合适的阻变层材料。卤化物钙钛矿材料由于其优异的性能而受到广泛的研究,在发光二极管、太阳能电池、光电探测器和阻变存储器等电子器件中彰显出巨大的应用潜质。更重要的是,卤化物钙钛矿因其在不同环境中优异的稳定性,在阻变存储器中引起了特别的关注。全无机卤化铅铯体系(CsPbX3)具有较好的热稳定性和实际应用潜力,而PEA2PbX4(PEA-苯乙胺)是一种二维有机-无机钙钛矿,在阻变领域作为阻变介质的研究很少。与三维PEA钙钛矿相比,二维层状PEA系列钙钛矿中离子迁移的活化能较高,使离子迁移现象减弱,则稳定性相对较高。本文以铅基卤化物钙钛矿材料CsPbBr3、TiO2-PEA2PbBr4作为阻变层材料进行相应器件的制备与阻变性能研究。首先,采用旋涂法制备了浓度分别为0.065 mol/L、0.13 mol/L和0.26 mol/L的CsPbBr3薄膜,并采用磁控溅射法镀上电极,得到了结构为Al/CsP-bBr3/ITO的阻变存储器。该类型器件在ICC=10 mA的限制电流下均具有相对集中的置位/复位电压,而且随着阻变层浓度的增大,器件的置位电压增大、开/关比(ION/IOFF)增大、循环耐受性增强、保持特性增强,这主要是因为薄膜越厚,越需要更大电压将阻变器件的上、下电极导通。另外,薄膜越厚,器件的耐性就越强、维持时间越长。通过XPS对元素价态进行研究,得出结论为器件高低阻态的切换是由Br离子的迁移导致Br空位的形成/断裂所引起。其次,同样采用旋涂法、磁控溅射法制备了 Al/PEA2PbBr4/ITO器件,测试发现该器件并没有明显的阻变行为。接着就对阻变层PEA2PbBr4薄膜掺杂了百分比含量分别为1%、3%、5%、10%的TiO2纳米颗粒,结果得Al/TiO2-PEA2PbBr4/ITO器件在ICC=10 mA的限制电流下均具有较小且集中的置位/复位电压、长的数据保持特性、稳定的循环耐受性以及稳定的脉冲特性等特点,而且随着TiO2掺杂百分比含量的增加,器件的Forming电压减小、复位电压增大,这是由于TiO2掺杂量增大,导电性增强,因此需要较小的电压即可将器件导通,但需要较大的电压将器件断开。此外,对TiO2掺杂量为1%的Al/TiO2-PEA2PbBr4/ITO器件进一步研究,结果得出其保持特性、开/关比最大,并具有多级存储的能力。通过XPS对元素价态进行研究,结果得Al/TiO2-PEA2PbBr4/ITO器件的阻变行为是由于Br离子和O离子的迁移形成相应Br空位和O空位共同组成的导电细丝的形成/破裂导致的。而Al/PEA2PbBr4/ITO器件没有明显的阻变行为则是因为没有TiO2提供O空位,进而不能形成连通上、下电极的导电细丝,因此不能实现阻变行为的转换。总之,通过对CsPbBr3、TiO2-PEA2PbBr4膜基阻变存储器的研究,为未来制备性能稳定的铅基卤化物钙钛矿阻变存储器提供了方案,尤其是基于Al/TiO2-PEA2PbBr4/ITO阻变器件脉冲特性的研究,为神经突触学习功能的模拟提供了研究基础。
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