【摘 要】
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当前,关于忆阻器（Memristor）的基础与应用研究已逐渐成为凝聚态物理、材料科学、半导体物理与微纳电子器件、信息技术与人工智能等相关领域最活跃的热点方向之一。忆阻器构形虽简单,但其构成材料的阻变机制却非常复杂且相互交织,对此人们仍然缺乏深刻理解和可靠的实验证据,这亦是制约改善忆阻器综合性能的关键难题之一,亟待通过深入的基础研究逐步加以解决。本学位论文首先介绍了忆阻器的概念、结构以及基本性能参数
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（11474231,11464041,11864035,11264034）； 甘肃省自然科学基金项目（No.17JR5RA079）；
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当前,关于忆阻器（Memristor）的基础与应用研究已逐渐成为凝聚态物理、材料科学、半导体物理与微纳电子器件、信息技术与人工智能等相关领域最活跃的热点方向之一。忆阻器构形虽简单,但其构成材料的阻变机制却非常复杂且相互交织,对此人们仍然缺乏深刻理解和可靠的实验证据,这亦是制约改善忆阻器综合性能的关键难题之一,亟待通过深入的基础研究逐步加以解决。本学位论文首先介绍了忆阻器的概念、结构以及基本性能参数,并简要评述了氧化物忆阻器的研究现状和面临的一些问题,然后重点总结了笔者攻读硕士期间以“TiO2纳米管阵列膜忆阻性能及其影响因素的研究”为题所做的研究工作,具体包括以下内容和结果:（1）设计、制备了Cu/TiO2/Ti纳米管阵列膜忆阻器,重点探究了TiO2纳米管阵列膜的厚度对阻变性能的影响规律。先采用两步阳极氧化工艺制备TiO2纳米管阵列膜,通过氧化时间控制其厚度,制得不同厚度的TiO2/Ti纳米管阵列膜。再由真空蒸镀工艺沉积Cu顶电极,获得Cu/TiO2/Ti纳米管阵列膜忆阻器系列样品。由测试结果发现:忆阻器的阻变性能与TiO2纳米管阵列膜的厚度密切相关,当阳极氧化时间较短（20 min内）时,器件的阻变性能主要由离子型阻变（i RS）机制主导;当阳极氧化时间达到30 min左右时,随着TiO2纳米管阵列膜厚度的增加,器件的阻变性能逐渐由电子型阻变（eRS）机制主导;当阳极氧化时间超过45 min后,TiO2纳米管阵列膜的厚度进一步增加,则器件的I-V曲线逐渐偏离忆阻器的特征滞回线,呈现复杂形态。并且所有样品的电荷输运特性均符合SCLC模型。研究结果表明,阳极氧化30 min的TiO2纳米管阵列膜,其忆阻性能最稳定。这意味着可能存在一个能使其综合性能达到最佳的阻变层厚度参数。（2）设计、制备了MTop/TiO2/Ti纳米管阵列膜忆阻器系列样品,重点探究了不同金属顶电极对器件阻变性能的影响规律。采用真空蒸镀工艺,分别在结构参数相同的TiO2/Ti纳米管阵列膜上沉积金属Au、Cu、Al、Ti作为顶电极,获得Au/TiO2/Ti、Cu/TiO2/Ti、Al/TiO2/Ti、Ti/TiO2/Ti等四个系列的忆阻器。由测试结果发现:随着顶电极金属电负性的增大,器件的开关比也随之增加。尽管Au/TiO2/Ti器件开关比相对高于Cu/TiO2/Ti器件,但前者需要较大的操作电压,且HRS波动性亦大。相比而言Cu/TiO2/Ti结构具有一定的优势;而另两类器件Ti/TiO2/Ti和Al/TiO2/Ti,由于它们顶电极金属的电负性较小,则容易使金属电极和介质层之间生成亚氧化层,从而导致器件在阻变过程中电阻逐渐增加,使器件阻变性能的稳定性随之变差;更有趣的是,因顶电极金属电负性不同而引起金属-介质接触势垒的差异,则会导致其间的载流子传导路径和方式的改变,进而影响器件的忆阻性能。测试数据的拟合分析证明,Cu/TiO2/Ti符合SCLC机制,Al/TiO2/Ti符合P-F发射机制,Au/TiO2/Ti符合肖特基发射机制,而Ti/TiO2/Ti符合跳跃机制。上述研究结果表明,阻变层相同的忆阻器,其阻变性能将受顶电极金属电负性的影响明显,并显示出很大的性能差别。（3）设计、制备了由液相还原处理的Cu/TiO2/Ti纳米管阵列膜忆阻器,重点探究了氧空位浓度对器件忆阻性能的影响规律。先对相同结构参数的TiO2/Ti纳米管阵列膜进行退火晶化处理,之后将其置入硼氢化钠溶液中,在室温下进行不同时间的液相还原,再真空蒸镀Cu顶电极,获得不同氧空位浓度的Cu/TiO2/Ti纳米管阵列膜忆阻器。由测试结果发现:随着浸泡还原时间的增加,器件的形貌结构并未发生明显变化,但对器件的忆阻性能影响显著,呈现先扬后抑的规律,直至失去忆阻性能。初步研究结果表明,只有使TiO2/Ti纳米管阵列膜中氧空位浓度保持在一个合理的范围内,才能使该器件的综合性能最佳。
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