【摘 要】
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物联网时代下,多功能柔性电子集成系统对基本信息存储单元以及能解决其集成阵列中串扰问题的选通器提出了柔性化的发展需求。基于纳米导电细丝机理的非易失性阻变存储器和易失性阈值选通器由于具有开关比高、尺寸微缩性好、以及选材广泛等特点,已分别成为柔性存储和选通器件的潜在理想电子元件。本论文基于“功能材料柔性化”和“弹性材料功能化”策略,成功制备了柔性阻变存储器和选通器,并系统研究了应力应变对器件电学性能的影
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
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物联网时代下,多功能柔性电子集成系统对基本信息存储单元以及能解决其集成阵列中串扰问题的选通器提出了柔性化的发展需求。基于纳米导电细丝机理的非易失性阻变存储器和易失性阈值选通器由于具有开关比高、尺寸微缩性好、以及选材广泛等特点,已分别成为柔性存储和选通器件的潜在理想电子元件。本论文基于“功能材料柔性化”和“弹性材料功能化”策略,成功制备了柔性阻变存储器和选通器,并系统研究了应力应变对器件电学性能的影响。相关研究结果对高性能柔性电子器件研发具有重要参考价值。本论文包括以下三部分工作:一、柔性保形阻变存储器的设计制备与性能研究。基于“功能材料柔性化”策略,选用阻变性能稳定的氧化铪(HfOx)作为介质层,采用简单的衬底物理溶解和器件转移方法,制备了柔性保形的Pt/HfOx/Pt/PMMA/PDMS阻变存储器。测试发现,该器件在平坦状态下呈现出稳定的双极性电阻转变行为,开关比为~10倍,可连续擦写超过100次,数据在常温和高温(85℃)下的保持时间超过104 s。进一步研究发现,该器件可在弯曲条件下工作,最小弯曲半径可达0.95 mm,且器件在最小弯曲半径下可以承受至少8000次连续弯曲循环。此外,器件可以很好地与人体皮肤贴合,在柔性保形电子方面有重要应用潜力。二、本征可拉伸阻变存储器的设计制备与性能研究。为获得能够承受大拉伸应变的器件,提出了“弹性材料功能化”策略,选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和铜微颗粒掺杂的液态金属(Cu@GaIn)分别作为介质层和电极,制备了本征可拉伸的Cu@GaIn/PDMS/Cu@GaIn阻变存储器。测试发现,该器件在高达30%的拉伸应变和90°的扭转变形下仍可表现出稳定可靠的双极性电阻转变行为,且具有较大的存储窗口(~102倍)和良好的数据保持特性(>104 s)。进一步测试表明,器件在30%拉伸应变下可以承受至少500个连续拉伸循环,并且在整个动态拉伸-释放过程中,写入器件的数据能够稳定保存。此外,基于器件在拉伸应变下的稳定阻变效应,成功实现了一位全加器运算功能演示,有望用于构建存-算一体化的低功耗柔性电子系统。三、本征可拉伸阈值选通器的设计制备与性能研究。为解决上述两个工作中器件高密度集成遇到的串扰问题,选用Ag纳米线掺杂的聚氨酯(AgNWs-PU)作为介质层,再结合 Cu@GaIn 电极,制备了本征可拉伸的Cu@GaIn/AgNWs-PU/Cu@GaIn阈值选通器。测试发现,器件在无应变状态下呈现出稳定的双向阈值转变行为,最大工作电流为10μA,最大选通比为~104倍,且通过缩短AgNWs长度(从30μm降至10μm)可大幅降低器件的工作电压。进一步测试发现,在30%的拉伸应变范围内,器件均具有稳定可靠的双向阈值转变行为,且选通比和工作电压基本保持不变,为柔性和可拉伸阻变存储器的大规模集成提供了潜在解决方案。
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