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随着半导体技术的飞速发展,基于电荷存储的存储器尺寸已接近其物理极限,亟需寻找一种新型存储技术突破此技术瓶颈。忆阻器以其独特的非线性电学性质在基础电路扩展、逻辑电路设计及生物仿真等领域具有广泛应用,尤其是在存储器的研究领域具有巨大的潜在价值。本文以金属氧化物和DNA材料为基础,结合激光分子束外延、热蒸发和旋涂技术制备了Al/Zn O/ITO/glass、Al/Zn O/Ti/Zn O/ITO/glass、Al/Al2O3/Ti/Si、Al/Al2O3/Ag NPs/Ti/Si、Al/Zn S/ITO/glass、Au/DNA/Au/Si等忆阻单元,研究了不同结构的忆阻性能并探索了其存储机理。主要工作如下:1.通过激光分子束外延技术(laser molecular beam epitaxy,LMBE)在Zn O薄膜中嵌入Ti纳米层优化了器件的忆阻性能。CAFM测量结果显示:Al/Zn O/Ti(2.5nm)/Zn O/ITO/glass器件的高低电阻比率高达103,室温下的忍耐力循环测量超过300多次,器件放置106s后仍然具有良好的忆阻特性。并且嵌入合适厚度Ti纳米层能够减小器件的转换电压,增加高低电阻比。同时探索了Ti纳米层的厚度和层数对忆阻行为的影响。忆阻器件在高、低电阻态下分别满足P-N发射和欧姆传导规律,转换机制由界面效应和氧空位导电丝共同控制。Ti纳米层的引入,有效调控了薄膜中氧空位浓度的分布,减弱了导电丝形成和断裂的随机性,提高了器件的稳定性。2.通过Ag纳米颗粒修饰电极优化了Al2O3薄膜的双极忆阻特性。首先采用LMBE和热蒸发技术制备了基于Al2O3忆阻器件,研究了Al2O3厚度对Set电压和高低阻值的影响。通过不同大小的Ag纳米颗粒对电极进行修饰,发现14 nm的颗粒对电极修饰后的器件Set(Reset)电压减小,高低电阻比提高到104,经过300次循环测量后,高低电阻值没有明显变化,且能够保持106s以上,尤其是器件的稳定性有了较大提高。通过对器件的I-V曲线进行拟合发现,P-N发射和氧空位导电丝机制可以对器件的忆阻性能进行合理解释,电场的局部增强和非均匀分布是器件稳定性提高的主要原因。3.研究了基于Zn S纳米薄膜的负微分电阻和阻变行为。首先通过LMBE和热蒸发技术制备了基于Zn S的纳米薄膜器件Al/Zn S/ITO/glass,电学特性测量发现:循环电压扫描时可获得两种稳定的阻值状态,峰-谷电流比率超过10。适当地减小Zn S薄膜的厚度以及对器件进行400℃退火处理可有效地提高器件的峰-谷电流比率,优化器件的阻变特性。最后结合多能谷散射理论,对Zn S器件的负微分电阻特性进行了合理解释。4.结合LMBE和旋涂技术制备了DNA双极忆阻器件,研究了不同条件下的忆阻行为。测量结果表明:器件的忆阻性能与DNA薄膜的层数有较强依赖关系,且传导机制满足空间电荷限制电流。通过对Au/(DNA)10/Au/Si器件进行循环测量发现,器件表现出较好的写-读-擦(write-read-erase)特性,且具有可重复的“一次写入多次读取再擦除”特性。DNA上螯合Ag+后能够降低器件的Set电压和高(低)阻态的电阻值,减小器件的功耗。特别是在不同扫描电压的作用下,器件表现出多级存储特性,这将有助于高密度存储器件的开发。