温度对柔性聚合物包埋纳米粒子阻变器件耐弯折特性影响的研究

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信息技术已渐入柔性电子时代,未来应用对设备的柔化、可穿戴和轻便提出了更高的要求,寻找一种柔性、存储密度高且能耗低的新型存储技术已迫在眉睫。发挥聚合物分子和无机纳米粒子(NPs)各自优点,构建柔性薄膜阻变存储器是一个重点前沿研究领域。国内外研究表明,聚合物阻变器件的弯折失效机理是需要解决的共性关键问题之一。本课题以柔性聚合物包埋NPs阻变薄膜器件为研究对象,通过调控聚合物/NPs界面性质、改变功能层厚度以及调控温度等实验手段,系统深入的探究温度对器件电学特性和耐弯折特性的影响,揭示阻变器件低温弯折失效的演化过程,阐明器件耐弯折性的物理机制。主要内容及结果如下:首先,选用电子传输材料9,9-二正辛基芴-苯并噻二唑共聚物(PFBT)、空穴传输材料聚乙烯咔唑(PVK)和绝缘性较好的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分别包埋ZnO NPs,用旋涂法和真空掩模沉积法分别制备功能层薄膜和电极获得十字交叉可寻址Al/Polymer-NPs/Al阻变存储器件,重点探究聚合物/NPs界面对复合薄膜阻变特性的影响。研究发现:电导性较好的PFBT组器件阻变性能最佳,平均开关比约为4×103,阈值电压约为1.4V。PVK组次之,而对于绝缘的PMMA组,开关比最小,约为2×103,阈值电压为1.7V。聚合物/NPs复合薄膜的阻变机理为深浅陷阱共同作用的电荷捕获和释放。高阻态低偏压区符合欧姆传导,高偏压区则符合TCLC或SCLC输运。第一性原理计算发现,对于含易得电子的苯并噻二唑官能团的PFBT分子和含易失电子的咔唑环的PVK而言,分子和ZnO NPs之间更容易发生电荷转移,促进电荷被界面陷阱捕获,而对于不含特殊官能团的PMMA,电荷则不容易被陷阱捕获,导致其阈值电压较大,开关比较小。之后,选择电开关特性较优的Al/PFBT-ZnO NPs/Al为对象,系统研究了功能层层数对器件阻变特性和耐弯折特性的影响,旋涂层数从2层逐渐增加至6层,弯折次数从0增加至5000次。结果表明,旋涂4层的Al/PFBT-ZnO NPs/Al器件开关性能稳定,且开关比较大。与旋涂2层器件相比,旋涂四层器件耐弯折特性更优。随着弯折次数增加,薄膜中的有效陷阱数量减少,当弯折次数达到一定值(约3000-5000次)时,开关比下降三个数量级,欧姆-TCLC共同主导的输运机制逐渐转变为欧姆-SCLC主导,弯折次数为5000次时,仅符合欧姆传导。模拟计算和能级分析可知,弯折导致聚合物/NPs界面脱附以及微裂纹扩展会阻碍载流子在NPs陷阱处的捕获和释放,进而恶化器件阻变特性。最后,选择旋涂4层Al/PFBT-ZnO NPs/Al器件为对象,系统研究温度对器件耐弯折特性的影响,以获取薄膜阻变机制和界面效应对其变温弯折性能影响的深层次判据。研究发现:温度范围为40℃至10℃时,弯折对器件性能的恶化作用要明显强于温度对器件电荷输运的影响,即相同温度下器件开关比随着弯折次数的增加急剧减小,而在相同弯折次数时,随着温度的降低开关比略有减小。温度进一步降低,器件耐弯折特性恶化明显,-5℃和-10℃时,器件仅能承受3000次弯折,-20℃,器件仅能承受2000次弯折,而温度为-40℃时,弯折2000次后器件完全失效。因此,低温可加剧器件阻变特性恶化,使其耐弯折特性变差。一方面,温度降低会使器件内部有机材料和无机材料的脆性增加、柔韧性变差,连续的机械弯折作用下器件更容易萌生表面微裂纹,而且由于聚合物分子和无机NPs本身物理性质的差异,在低温弯折条件下,更容易产生界面脱附。这些微观裂纹和局部脱附会破坏电荷输运路径,恶化器件性能。另一方面,当温度降低时载流子活性降低,需要更大的能量才能在两个陷阱之间跳跃传输,这进一步加剧了器件性能的恶化。
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