基于氧化物薄膜的瞬态忆阻器件制备及其瞬态特性、阻变机理研究

The memristor with memory function is the fourth basic passive circuit elements, in addition to resistors, capacitors, inductors, which has broad application prospects in the fields of information storage, logic and others. Transient electronics is a new type of electronic device that can physically disappear by certain physical or chemical processes in a controlled rate or within a set period of time. This project combines the memristor and transient electronics to prepare the transient memristors. Transient memristors can make the basic circuit elements with transient properties more complete, which has important research value. This project intends to prepare transient memristor devices based on magnesium oxide and silicon dioxide thin films, and to study the transient properties and resistive switching mechanism. The metal-oxide-metal structure memristor devices are prepared through the hard mask method and transfer printing method, using nano-metal films as soluble electrode materials and silk fibroin film as a soluble substrate material. Transient properties of prepared memristors are regulated by the design and preparation of soluble transient materials, and the factors affecting the dissolution processes of memristors in water are analyzed. Resistive switching performances of transient memristors at steady and transient states are both studied with resistive switching mechanism revealed, and the relationship between transient properties and resistive switching performances is optimized.

忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四种无源基本电路元件，具有记忆功能，在信息存储、逻辑运算等领域具有广阔应用前景。瞬态电子器件是一类物理结构能够以可控的速率或在设定的时间内通过一定的物理或化学变化过程实现消失的电子器件。本项目将忆阻器和瞬态电子器件结合起来，提出制备瞬态电子器件的思路，通过研究可使目前的瞬态基本电路元件更加完备，具有重要的研究价值。本项目拟制备基于氧化镁、二氧化硅氧化物薄膜的瞬态忆阻器件，并对器件的瞬态特性和阻变机理进行研究。采用纳米金属薄膜作为可溶解电极材料，蚕丝蛋白薄膜作为可溶解衬底材料，通过硬掩模法和转移法制备金属-氧化物-金属结构的忆阻器件；通过可溶解瞬态材料的设计和制备，调节忆阻器件的瞬态特性，分析忆阻器件在水中溶解过程的影响因素；研究瞬态忆阻器件在稳态时和瞬态过程中的阻变性能，揭示其阻变机理，优化器件的瞬态特性与阻变性能之间的关系。

忆阻器作为除电阻、电容、电感外的第四种无源器件，兼具信息储存和逻辑运算功能，在大数据存储及模拟神经网络方面有着很大的应用前景。瞬态电子器件是指在完成指定功能后，其物理形态和功能可以在外界刺激触发下立即发生部分或者完全消失的一种新兴电子器件。瞬态忆阻器结合了二者的特点，研究瞬态忆阻器具有重要意义。本项目主要研究内容包括：阻变介质材料（MgO、a-Si、VO2、Cr2O3）、电极材料（Ni、Fe、W、Cu）、衬底材料（蚕丝蛋白膜、聚乙烯醇、聚甲醛）的制备及其瞬态特性，基于MgO和a-Si薄膜的水触发的瞬态忆阻器的制备，瞬态忆阻器的阻变性能、阻变机理与瞬态特性。研究结果表明：纳米尺寸厚度的MgO薄膜、a-Si薄膜、Ni、W、Cu电极以及蚕丝蛋白和聚乙烯醇衬底材料均可在水中溶解消失，采用化学气相沉积法制备的聚甲醛衬底材料可通过热触发消失。制备的Ni/MgO/Ni器件中，三层薄膜厚度分别为80 nm、10 nm、80 nm，Ni和MgO均为多晶态，各层间界面清晰。该忆阻器无需Forming过程，SET电压约为0.9 V，RESET电压约为-0.6 V；器件具有良好的循环稳定性，100次循环过程中高低阻态阻值之比始终大于260；高低阻态的阻值保持时间均大于10000 s。Ni/MgO/Ni忆阻器中同时存在导电细丝和空间电荷限制电流两种阻变机理；低阻态时电流与电压成正比，为导电细丝机制；高阻态时电流与电压呈分段线性关系，为空间电荷限制电流机制。在蚕丝蛋白基底上制备的Ni/MgO/Ni点电极结构瞬态忆阻器，放入水中300 s后基本溶解完全。在聚乙烯醇衬底上制备的W/a-Si/Cu交叉杆结构瞬态忆阻器中，W、a-Si、Cu三层薄膜厚度分别为100 nm、10 nm、80 nm。该结构的器件能够稳定循环20次以上，高低阻态阻值之比大于5，且SET电压和RESET电压在-1.5-1.5 V范围内能保持相对稳定，阻变机理为导电细丝的形成和断裂。而且该瞬态忆阻器在脉冲操作的刺激下能够模拟突触增强、突触抑制特性。整个器件在水中大约6 min能够完全溶解，具有良好的水触发瞬态性能。在聚甲醛衬底上制备的Au/SiO2/Cu忆阻器，在180 ℃加热条件下，可随着聚甲醛基底的消失而发生结构坍塌。加热42 min后，整个忆阻器结构破裂成碎片，具有良好的热触发瞬态性能。