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无机块体忆阻器材料的制备、结构及其电学性质研究

作　者: 蔡坤鹏
导　师: 周济
学　校: 清华大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 忆阻器忆阻机制碘化银氧化钴锰锌铁氧体
分类号: TM54
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

忆阻器是一种具有电阻记忆效应的基本无源电路器件。近年来，与其相关的电路理论、电子器件和材料的研究正日益引起学者的广泛关注。本论文拟在制备新型块体忆阻器材料并就其相应的性能和忆阻机理展开研究。发现了Ag|AgI|Ag块体三明治结构中的忆阻现象和研究了其忆阻机理。采用液相化学反应的方法制备了γ-AgI纳米颗粒，并加压获得了块体忆阻器。电学性能测试发现，在三角波电压的加载条件下，样品具有典型的电流-电压（I-V）回线和忆阻特性：I-V回线面积随电压加载频率增大而减小；样品具有超过100的高低阻态阻值比；转折电压随测试电压范围呈正比例增大；样品低阻态的阻值和转折电压均随测试温度的升高而减小。测试了样品在单向和非对称三角波电压下的I-V回线和电阻-电压（R-V）曲线。指出了Ag电极和AgI电介质界面处I-的氧化还原反应是AgI块体中出现忆阻现象的原因；样品低电阻状态的阻值取决于界面处电化学反应速率，而高电阻状态阻值则主要受反应物离子的扩散能力控制。研究了Ag|CoO|Ag块体结构中的忆阻回线，电阻转折现象和忆阻机理。通过传统固相烧结的方法在Ar保护气氛中制备了CoO陶瓷块体忆阻器。电学性能实验发现：CoO陶瓷样品电流和I-V回线面积随电压扫描频率的减小而增大，样品电阻随加载电压值和测试温度的升高而减小。提出了基于电阻与温度关系的一阶电流控制型忆阻器的状态方程，成功解释了负温度系数热敏电阻样品中的忆阻行为。电路中电流产生的焦耳热使样品温度上升，电阻减小；样品与环境间的热量耗散则使其温度下降，电阻增大。数值计算结果表明，理想的CoO负温度系数热敏电阻忆阻器具有超过30000的阻值比。指出了所提出的忆阻机理适用于其它负温度系数热敏电阻忆阻器，并通过所制备的NiO和Co3O4陶瓷的测试结果进行了验证。实验中首次发现了锰锌铁氧体（ZMFO）陶瓷中的忆阻行为，并研究了其忆阻机制。采用固相烧结的方法制备了尖晶石型ZMFO多晶陶瓷块体忆阻器。研究了Ag|ZMFO|Ag块体结构中的电子传输特性。三角波电压加载下，样品中呈现随频率变化的I-V忆阻回线。常温下样品的忆阻阻值可由外加电场和磁场进行调制，并且调节后的样品电阻在时间上具有可持续性。研究了不同温度下样品I-V回线和交流阻抗谱的变化趋势。指出了样品中电流产生的感应磁场对晶粒中原子自发磁矩方向的调制和样品中的磁滞效应是ZMFO陶瓷产生忆阻性的原因。制备了磁铅石型锶铁氧体，证实了所提出的机理适用于其它铁氧体陶瓷忆阻器。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-29
  1.1 课题研究的背景  8-18
    1.1.1 忆阻器的概念  8-13
    1.1.2 忆阻器的电路特性  13-14
    1.1.3 忆阻器的应用  14-18
  1.2 课题研究现状及发展趋势  18-26
    1.2.1 忆阻器材料体系的研究  18-20
    1.2.2 忆阻器电阻转换机制研究  20-24
    1.2.3 忆阻器制备工艺的研究  24-25
    1.2.4 忆阻器的技术要求与发展趋势  25-26
  1.3 课题研究的意义和主要内容  26-29
    1.3.1 课题的提出和意义  26-27
    1.3.2 论文的主要内容  27-29
第2章碘化银块体忆阻器的制备及其忆阻行为研究  29-57
  2.1 引言  29-30
  2.2 实验过程  30-35
    2.2.1 AgI 纳米粉的制备  30-31
    2.2.2 块体忆阻器的制备  31-32
    2.2.3 样品结构和性能的表征  32-35
  2.3 结果分析与讨论  35-55
    2.3.1 显微结构与晶相分析  35-36
    2.3.2 电路忆阻特性  36-38
    2.3.3 机理与模型研究  38-50
    2.3.4 电化学反应热力学分析  50-52
    2.3.5 电化学反应动力学分析  52-55
  2.4 本章小结  55-57
第3章氧化钴块体忆阻器的制备及其忆阻行为研究  57-82
  3.1 引言  57-58
  3.2 实验过程  58-61
    3.2.1 粉料处理和样品的制备  58-59
    3.2.2 样品结构和性能的表征  59-61
  3.3 结果分析与讨论  61-80
    3.3.1 显微结构与晶相分析  61-62
    3.3.2 忆阻器电路特性  62-66
    3.3.3 忆阻机理研究  66-76
    3.3.4 基于机理的讨论  76-80
  3.4 本章小结  80-82
第4章锰锌铁氧体块体忆阻器的制备及其忆阻行为研究  82-106
  4.1 引言  82-83
  4.2 实验过程  83-87
    4.2.1 样品的制备  83-85
    4.2.2 样品结构和性能的表征  85-87
  4.3 结果分析与讨论  87-103
    4.3.1 显微结构与晶相分析  87-90
    4.3.2 忆阻器电路特性  90-91
    4.3.3 忆阻机理讨论  91-103
  4.4 本章小结  103-106
第5章结论  106-109
参考文献  109-120
致谢  120-122
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  122-123

无机块体忆阻器材料的制备、结构及其电学性质研究

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