柔性氧化石墨烯阻变存储器制备及其机理研究-毕业论文（良查重百分比： 8）.doc

1、中国石油大学（北京）现代远程教育中国石油大学（北京）现代远程教育毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文）柔性氧化石墨烯阻变存储器制备及其机理研究姓 名：学 号：性 别：专 业：化学工程与工艺批 次：学习中心：指导教师：2022 年 3 月 31 日中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）柔性氧化石墨烯阻变存储器制备及其机理研究摘摘 要要随着时代的不断进步与发展，柔性电子成为了近年来的热门研究方向之一，可用于包括折叠电路、电子皮肤、皮肤传感器等各个方面。在存储器方面，由于传统的存储器写入和读出速度较慢，人们近年来正研究某种技术取而代之。由于简

2、单的结构、低耗电、快速读写速度、长数据保持时间和尺寸缩小的巨大可能，电阻可变存储器（RRAM）受到人们的关注。本文主要研究了柔性氧化石墨烯阻变存储器（GO RRAM）。基于精通电阻可变存储器操作原理的论文，掌握了石墨烯氧化薄膜的制备方法，掌握了存储器装置单体测试方法和柔性器件的测试方法。关键词关键词：柔性电子；氧化石墨烯；阻变存储器；机理研究中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）目录目录第一章 绪论 .11.1 研究的目的及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本文结构.4第二章 柔性 GO RRAM 的原理 .62.1 GO

3、材料的原理研究.62.2 柔性 GO RRAM 的性能参数.62.2.1 随机存取器件的窗口数值：.62.2.2 工作限制电流 .62.2.3 器件的柔性 .72.3 RRAM 的阻变机制.72.3.1 基于氧离子扩散的开关.72.3.2 基于金属丝的开关.82.4 RRAM 的设备特性.9第三章 柔性 GO RRAM 的制备 .113.1 制备设备.113.2 AL/GO/PT RRAM 的制作.123.3 氧化石墨烯薄膜的表征 .133.3.1 拉曼光谱方法 .143.3.2 XPS 图谱方法 .15第四章 柔性 GO RRAM 特性及其机理.174.1 GO RRAM 的电学性能.174

4、.2 GO RRAM 的柔性性能.20中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）第五章 结论 .22参考文献.23致 谢.25中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）第第 1 章章 绪论绪论1.1 研究的目的及意义研究的目的及意义柔性的电子技术是在柔软的基板上制造有机/无机材料电子器件的新电子技术。这项技术可能会给电子技术带来革命。而且，它受到了广泛的关注，在世界上急速发展。所以柔性电子这个研究方向在近几年来非常受大家欢迎。在便携式设备、皮肤电子、折叠电路等方面有着很好的发展前景。对于

5、存储器，传统的闪存具有高功耗（高电压下的热载流子的注入）、慢写入和读出速度以及低消除时间，因此需要研究能够代替它的技术。目前的非易失性存储器技术，即闪存，是基于电荷存储的，这种技术正在迅速达到其物理极限。所以，为了下一代具有不挥发性内存的随机存取存储器器件，正在研究不基于电荷工作的纳米随机存取器件，例如铁电随机存取器件（FeRAM）、磁性随机存取器件（MRAM）、多指令流多数据流并行机中的共享随机存取器件（PRAM）和电阻随机存取器件（RRAM）。下面表 1.1 为几种常见类型的存储器的几个参数的对比。表 1.1 常见类型的存储器的参数对比SRAMDRAMFLASHMRAMPRAMRRAMNo

6、n-VolatilityNoNoYesYesYesYesCe11 Size（F2）largesmal1smal1MediumSma11Sma11Read Time1-100 ns30 ns3-15 ns3-20 ns10-100 ns10-100nsWrite/Erase Time 1-100 ns 50 ns/50 ns l ls/10 ms3-20 ns10 ns/50 ns l0 ns/10 nsEndurance10161016105101510121015Write PowerLowLowHighMid-highLowLow这几年来，新的非易失性存储器技术被很多人研究。作为最有希望中

7、国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）的技术之一，电阻随机存取存储器（RRAM）由于简单的结构、低耗电、快速读写速度、长数据保持时间和尺寸缩小的巨大可能（与运行的原理有关）而受到瞩目。1.2 国内外研究现状国内外研究现状电阻可变型随机存取存储器的简单构造是电极/介质/电极的三层结构。它的工作原理是，薄膜材料中电阻的大小在通过相应电压的情况下可以在高电阻值（HRS）和低电阻值（LRS）之间自由的转变，进而达到存储的目的，而且关闭电压，材料的电阻值可以保持不变，即不会蒸发，具有非易失性，如图 1.1 所示。实际上，在 19 世纪 70 年代初

8、，Simmons 和 Verderber 便发现了 SiO 材料的电阻值变化的情况。然而，知道到 21 世纪初，由于硅系统存储器的大小已接近原始极限，所以难以提高记忆密度，这时，大家才恍然大悟发现电阻随相应电压变化这一现象可以用来制作存储器，而且因为该现象制备出的 RRAM 装置隐藏这高密度存储的可能性，所以大家都将研究的重点放在了 RRAM 上。经过近 20 年的发展，大家已经在包括两个成分和更多成分的金属氧化物材料、硫属化物材料、有机材料和一些有机无机杂化材料等的各种材料系统中发现了电阻随相应电压发生变化的现象。然而，没有能够完全满足应用要求的材料，导致实际的 RRAM 产品的导入延迟。其

9、操作原理都是影响电阻随相应电压变化这一现象的因素。除了介电物质本身之外，还与制造过程、加入的材料、电极的材料、器件的结构等有关。目前虽然提出了导电细丝模型、界面屏障模型、电荷捕获/释放模型、转换模型的模型等许多物理方面的模型，但时没有能够解释电阻随相应电压变化这一现象的统一物理模型和机制。因此，在研究电阻可变随机存取存储器材料和机构时，谋求突破是当务之急。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）图 1.1 电阻变化随机存取器件（a）元件模型；（b）高电阻值和低电阻值之间相互转变虽然和硅存储器比较，柔性电阻随机存取存储器还处在研究开发阶段，

10、需要进一步提高其灵活性和机械稳定性。但是，由于最初的柔性电阻随机存取存储器设备已经制备出来，通过连续开发，柔性的电阻随机存取存储器在材料研究这一方面有着明显的进步。良好的力学性能一直是柔性 RRAM 研究的焦点，人们期望柔性RRAM 具有更小的弯折半径，甚至能和人的皮肤一样能够随意的扭曲和拉伸，以满足可穿戴电子器件的发展需求。为了达成这个目的，Shang 等在调查有失真的柔性电阻随机存取存储器出问题的原因时领先了。并且，如图 1.2 所示，发现大幅度弯折的状况下电极和介电层的微小缝隙的出现是设备出问题的根本原因，其干扰了载波传输。因此，想要得到更好的弯折角度或实现灵活的电阻随机存取存储器的扩展

11、性，那就需要使用更柔软的介质、电极和基底材料。现在，中、韩、美等多个国家正在进行很多这方面的探索。柔性电阻随机存取存储器材料方面的大致发展方向是以有机物质或有机无机物质一起或融合材料为介质，将C 元素物质或具有导电性的高分子物质作为电极，构造或其自己本来具有可伸缩弹性的物质当做基底从而生产柔性电阻随机存取存储器设备。这当中，最具代表性的是制造可伸缩的电阻随机存取存储器设备。Chen等在 2014 年首次采用预拉伸的 PDMS 作为基底制备了中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）Al/P3BT：PMMA/Graphene/PDMS 器件，

12、该器件应变释放后便拥有可释放应变的褶皱结构。实验表明，在器件允许的范围内，该设备具有可靠的存储性能。在这之后，Chen 等在 2016-2017 年继续使用相同的流程分开单独制作了 Al/PF14-b-Pison/CNTs/PDMS 和 Al/MH-b-PI/CNTS/PDMS 可拉伸电阻随机存取存储器器件。然而上述 3 种器件的前两种是 WORM 型的存储行为（一次写入，多次读出），第 3 种是DRAM 型的存储行为（只能将数据保持很短的时间），并不是典型的RRAM 存储行为（可反复擦写，且数据可长时间保持），如图 1.3 所示。可见，国内外虽然在柔性 RRAM 材料研究方面已取得了较快的进

13、展，但还有许多问题需要解决，发展新的材料体系仍是柔性 RRAM 研究的核心课题。图 1.2 柔性阻变存储器失效的原因图 1.3 基于预拉伸基底的柔性可拉伸阻变存储器1.3 本文结构本文结构本文的绪论部分主要写了研究柔性氧化石墨烯电阻随机存取存储器的原因和意义，还有国内国外的柔性氧化石墨烯电阻随机存取存储器的中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）研究发展现状。在本文的第二章中，文章主要介绍了氧化石墨烯薄膜材料的原理，柔性氧化石墨烯电阻随机存取存储器的相关性能参数和电阻随机存取存储器的电阻变化机制还有设备特性。第三章为 GO RRAM 的制

14、备，同时也对制备出的 GO 薄膜的表征进行测量。第四章对柔性 GO RRAM 的特性及机理进行了研究，主要研究了 GO RRAM 的电学性能和柔性性能。最后的第五章是全文总结与未来展望。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）第第 2 章章 柔性柔性 GO RRAM 的原理的原理2.1 GO 材料的原理研究材料的原理研究石墨烯氧化物是石墨烯的 C 平面上的 C 原子与羟基、羧基、交联氧等氧官能团的组合。然后，还可以通过在还原气氛或化学和电操作中去除氧官能团来获得石墨烯。而且，现在已经了解到，氧官能团可以改变石墨烯的一部分特性，比方说将 s

15、p2 混合 C 原子转换成 sp3 混合状态，并影响石墨烯的电学特性。因此，石墨烯氧化物成功变为石墨烯系列非常有用的衍生物。国内国外的很多科学家都放进了大量的研究资源和精力来研究氧官能团在各种外部条件下如何发展。同时，开创了许多新的发展方向。例如，电阻值通过电方法改变并存储可作为电阻随机存取存储器的功能层。2.2 柔性柔性 GO RRAM 的性能参数的性能参数一般，用于精确测量电阻变化数据存储器的总体性能的一些重要性能数值通常有电阻随机存取器件的窗口数值、工作周期电压、工作限制电流、保持态的特性、包括循环的容许范围、数据消去的执行速度、器件的柔性性能等。接下来是各种重要参数特定性能的定义。2.

16、2.1 随机存取器件的窗口数值：随机存取器件的窗口数值：存储窗口的值通常被叫做开关比。为了便于外部状态识别存储电路准确地确定和输出设备的操作状态，电阻随机存取器件窗口的高和低通常差 10 倍以上，并且窗口的高值和低值差别越大，外部识别电路的状态识别装置的精度就会越高，电阻状态随机存取器件具有用于识别存储窗口的技术优点。2.2.2 工作限制电流工作限制电流在复位动作中，动作限制电流一般来说是一种指为了有效防止一个中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）器件的电流击穿，从而产生外加在操作限制上的电流，在整个 reset 操作过程中，此时的最大操作限制电流我们一般称之为是大电阻变流即器件在由高阻最高状态向有最低阻抗的状态进行转变的的过程期间中的最大操作电流。如果你需要准确评判一个器件的电流功耗控制水平，一般按照 rrreset 确定电流值。所以在这种阻变功率存储器中，人们主要通过尽量降低其在 reset 中的电流值误差来大幅降低功耗。2.2.3 器件的柔性器件的柔性包括器件的最小弯折半径、可承受反复弯折次数的力学性能。这是柔性器件主要的