分析石墨烯-聚合物复合薄膜的图形化制备与非易失性存储性能.docVIP

分析石墨烯:聚合物复合薄膜的图形化制备与非易失性存储性能 　　1引言 　　信息技术的快速发展对存储器提出更高的要求，为了满足信息时代的海量存储要求，越来越多的研究机构将研发焦点转向新兴存储技术，诸如铁电存储、磁存储、相变存储和阻变存储等技术正在被大量研究。其中，基于有机/无机杂化材料的阻变存储因其结构简单、擦写速度快、操作电压小、非破坏性读出、可制成大面积和柔性器件等优点，在信息存储方面有着广泛的应用前景。 　　石墨烯的高比表面积与合适的功函数使其在聚合物复合体系中可作为载流子陷阱，从而使复合材料具有阻变特性。Chen等在氧化石墨烯表面嫁接TPA-PAM分子，形成稳定均一的氧化石墨烯复合材料，获得非易失性可擦写阻变特性困。Lee等制备了基于石墨烯夹层结构的柔性阻变器件，该器件表现出优异的抗弯曲与数据维持特性。在本文作者的前期工作中，通过选择具有不同能级的聚合物，对载流子阱深进行控制，从而实现写一次读多次、易失性随机存取、非易失性随机存取效应，基于原理制备具有不同阱深的双电子陷阱石墨烯多叠层结构，实现三稳态阻变效应。进一步，通过石墨烯:聚酸亚胺的均匀复合，制备了具有高重复性的四态阻变存储器件 　　尽管石墨烯:聚合物表现出优良的阻变特性，然而作为原理性研究，大部分工作都是采用旋涂方法在电极表面制备整层的活性层，这显然与实际应用无法兼容。因为在实际的器件中，该阻变层必须选择性地沉积在特定的区域，才能与二极管或晶体管阵列连接，从而克服“窜扰”效应。因此，图形化的石墨烯:聚合物复合薄膜的制备对于实现阻变存储器的应用具有重要的意义。为了实现阻变活性层的图形化，本文以感光胶为有机基体，实现石墨烯与感光胶的均匀稳定复合，通过对石墨烯浓度的优化获得具有阻变效应的可图形化石墨烯:聚合物复合薄膜，并研究其阻变机理。 　　2实验 　　2.1石墨烯，聚合物复合浆料的制备 　　本文所用的石墨烯为单层还原氧化石墨烯，购买自南京先丰纳米材料有限公司，纯度99.8%所采用的感光胶为正性感光胶，购买自杭州科望特种油墨有限公司，型号为LPR-800。为了实现石墨烯与感光胶的均匀复合，必须先将石墨烯粉末分散在有机溶剂中，尝试了氯苯、丙酮、乙醇、环己酮等有机溶剂，发现石墨烯可以均匀稳定分散在环己酮中。因此，首先将石墨烯分散在环己酮中，浓度为5 mg/mI，超声分散2h。然后将一定量的石墨烯分散液、环己酮及20 mI、感光胶油墨混合，配成40 mI复合浆料，磁力搅拌24 h，形成均匀分散的石墨烯:聚合物复合浆料。在所制备的复合浆料中，石墨烯的浓度分别为0.02,0.04,0.08,0.16和0.3 mg/mI，经过成膜、固膜后石墨烯在复合薄膜中的质量分数分别为0.002500.0.00500.0.0100.0.0200和0.038%。 　　2.2阻变器件的制备 　　器件采用交叉型夹层结构，即氧化锢锡(IT0)石墨烯:聚合物/铝(A1)结构。 　　2.2.1 IT0极的刻蚀与清洗 　　所用的IT0厚度为200 nm。采用常规光刻工艺制备条形IT0极，其长度为20 mm，宽度为1 mm。对IT0极依次进行丙酮、酒精、去离子水超声清洗30min，用氮气吹干。 　　2.2.2电极的制备 　　采用蒸镀技术结合掩膜板在复合膜表面沉积图形化A1上电极，其长度为20 mm，宽度为1 mm。该A1电极位于石墨烯:聚合物方形薄膜表面，且A1电极与IT0极垂直交叉排列。 　　2.3测试与表征 　　采用扫描电子显微镜(SEM, HITACHI S-3000N)对石墨烯和石墨烯:聚合物的形貌进行表征，采用Keith1ey4200-SCS半导体测试仪测量器件的电流一电压(I-V)特性和稳定性。进行电学测试时，底IT0极接地，电压施加于A1电极。 　　3结果与讨论 　　在本文中，通过光刻工艺可容易实现有效面积为1.2 m m X 1.2 m m的石墨烯:聚合物复合薄膜。为了进一步验证该复合薄膜的可图形化，缩小复合薄膜尺寸，如图2所示。尺寸为50lm的复合薄膜线条清晰，边缘整齐。这表明通过光刻工艺可以得到精细石墨烯:聚合物复合薄膜图案。 　　4结论 　　采用光刻技术实现石墨烯:聚合物复合阻变薄膜的图形化，并成功制备基于IT0石墨烯:聚合物/A1交叉型夹层结构的阻变器件。实验表明，采用环己酮为溶剂可实现石墨烯与感光胶的均匀稳定复合。石墨烯浓度对器件阻变效应有显著的影响，当石墨烯浓度为0.01 %质量分数)时，器件表现出最佳的可擦写非易失性阻变效应，其n开关比达8.9 X 10在5h测试时间内表现出良好的数据维持能力。图形化阻变层的成功获得对于有机阻变器