基于有机聚合物忆阻器的制备及性能研究

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伴随数字经济、5G、物联网、云计算、人工智能的发展,人类社会步入了大数据时代,这对数据存储器提出了更高的要求。许多新型的存储器件也迅速吸引了许多研究者的注意,包括铁电随机存储器、磁随机存取存储器、相变随机存取存储器、忆阻器。其中忆阻器由于其具有相当可观的微缩化前景,在实现高存储容量、快速数据传输、短存取时间、低功耗和神经突触仿生方面具有巨大的潜力,可以满足大数据时代和人工智能技术的关键要求,被认为是未来最有可能替代现行存储器的器件之一。当前对于忆阻器材料的报道大多集中于无机材料。然而,与传统的无机材料相比,有机材料具有柔韧性好、成本低、重量轻、易加工、大面积成膜性等特点,更适合现代柔性电子器件的制备要求,这使得有机材料成为未来忆阻器介质层材料的重要候选者之一。因此,本论文基于有机聚合物为衬底或阻变介质层材料,设计并制备了一系列性能优异的新型有机聚合物忆阻器。借助各种表征手段对它们进行形貌、组成和结构等分析,并对器件开展了电学测试。依据研究结果,得到了以下结论:1、以有机聚合物聚亚胺(Polyimine)为柔性衬底,生物大分子鱼胶(FC)为阻变介质层材料,利用旋涂法和磁控溅射的方式制备了Ag/FC/Ag/Polyimine有机聚合物忆阻器,整个器件具有可重复写读数据的存储操作。值得注意的是由动态共价化学键连接的聚亚胺薄膜赋予了器件的柔韧、可回收,可修复以及快速可分解等特性。作为柔性器件,在重复弯曲300次以后阻变特性依旧保持稳定。该柔性器件还表现出随电压刺激电流逐渐增强的现象,有望应用于模拟生物突触的敏感化和习惯化。最后,提出电化学金属化机制(ECM)形成导电细丝的物理模型来解释器件的电阻开关行为。2、以3,3–联噻吩(33DTh)和噻吩(Th)为单体,利用电化学聚合在柔性衬底ITO/PET上制备了33DTh均聚的P33DTh和33DTh与Th共聚的PTh-33DTh大面积聚噻吩薄膜。并用磁控溅射的方式制备了Ag/聚噻吩/ITO/PET结构的柔性有机聚合物忆阻器。其中,Ag/P33DTh/ITO/PET存储器件表现出单极双开关的特性,开关比率到10~4。选取不同的限制电流测试,在1 V的恒定电压下各阻态均能稳定保持10~4s,并且有望实现多进制存储,符合我们的预期设计。通过对测试数据的分析揭示了P33DTh的阻变机制是由电荷陷阱捕捉和ECM形成的导电细丝组成,其中导电细丝为主导。另外,测试结果表明,相比于PTh-33DTh,P33DTh薄膜更加规则有序,而且结晶度更高,所以更有利于电荷在器件中的迁移,从而表现出更加优异的忆阻性能。3、以1,3,6,8–四–(对胺基苯基)芘(Py TTA)和[2,2’]–双噻吩–5,5’–二甲醛(BTDA)为前驱体,设计并合成了一种含电子供体/受体(D-A)系统的共价有机框架(COFs)材料—Py BT-COF。以Py TTA与对苯二甲醛(PA)为前驱体,合成了一种不含D-A系统的Py PA-COF材料作为对比。并利用磁控溅射的方式将两种COFs材料制成Ag/COFs/ITO结构的存储器件。区别于Py PA-COF,Py BT-COF因其在设计合成中引入了噻吩基团这种强给电子单元,能够促进COFs框架之间的电子载流子运输,从而实现其电阻开关两种状态的显著变化。利用热重分析仪和溶剂浸泡法证明了COFs材料超强的热稳定性及溶剂稳定性,这使得基于COFs材料的忆阻器有望在未来多变、苛刻的工作环境发挥重要作用。
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