氧化石墨烯基二极管存储器及其存储机理的研究

Memory devices based on graphene oxide (GO) diode have attracted attention as a promising next generation memory owing to simple structure, high density, fast switching, safety, green, large area, and flexibility. Compared to conventional memory devices, the research on the type of memory devices is still in an early state, and the application of the memory device based on GO diode is mainly restricted by their low memory performance, as well as their paradoxical working mechanism. To solve the problems above, we will improve the performance of the memory device by constructing an oxygen transport pathway with the kind of insulating materials with higher dielectric constant and thinner thickness and preparing higher quality and appropriate thickness GO films with ultrasonic spray pyrolysis technique. Meanwhile, we will investigate the working mechanism of the memory devices and construct a rational memory model by surveying the change of the inner microscopic structure of GO films with various thickness films under different conduction state and analyzing the energy level match and the substantial reactions between the electrodes and GO films. Our research can make it possible that carbon-based materials can be applied on memory devices effectively, and eventually develops memory device based on all-carbon materials. The above study can provide technical reserves for developing the next generation memory device.

氧化石墨烯基二极管存储器具有结构简单、容量大、存取速度快、数据受保护程度高、绿色环保、可大面积制备且与柔性衬底相兼容等诸多优点，拥有良好的开发前景和应用价值。目前，氧化石墨烯基二极管存储器的研究在国际上刚刚起步，与传统存储器相比，主要存在着存储性能低且机理互相矛盾等问题，制约了其实际应用。为解决以上问题，本项目提出利用厚度较薄的高介电常数绝缘材料构建氧迁移通道，利用超声喷雾的技术制备高质量且厚度合适的氧化石墨烯薄膜，以此提高氧化石墨烯基二极管存储器的性能。同时通过观测不同厚度的氧化石墨烯薄膜在不同导电态下的内部微观结构的变化，并结合分析电极与氧化石墨烯薄膜之间的能级匹配和具体反应，研究氧化石墨烯基二极管存储器的存储机理，构建合理的存储机理模型。通过本项目的研究，可以使得碳基材料能够有效应用到存储器上，最终研制出全碳结构的二极管存储器，从而为研制下一代的存储器件提供技术储备。

氧化石墨烯基二极管存储器具有结构简单、容量大、存取速度快、数据受保护程度高等诸多优点，是未来存储器的有力竞争者。但是目前这种存储器主要存在着电流开关比过低、维持时间过短、读写循环次数过少、且存储机理互相矛盾等问题。本项目围绕上述问题开展研究工作，在筛选了一批存储性能良好的氧化石墨烯材料的基础上，重点对氧化石墨烯与电极的界面修饰进了研究，构建了有效的氧迁移通道，并对比了不同器件结构和器件电极对氧化石墨烯基二极管存储器性能的影响，通过分析电流-电压、电压-电容、电容-时间等电学性质，研究了氧化石墨烯基二极管存储器的载流子注入、传输机制和损耗机理；特别是通过研究器件在不同导电状态下的氧化石墨烯薄膜内部构筑和表面形貌的物理及化学变化，探寻了影响存储的内在因素，构建了合理的存储机理。本项目的完成情况及取得的研究成果包括：（1）我们筛选了一批具有存储功能的氧化石墨材料，研制出了高性能的氧化石墨烯基二极管存储器，这种存储器具有存储密度高（多阶）、存储速度快（μs），开关电流比达到了104，存储循环次数和维持时间分别为104次和106 s，在此基础上制备了全碳结构的氧化石墨烯基二极管存储器的原型器件。（2）我们在氧化石墨烯和器件顶电极Al之间引入界面修饰材料LiF和Al2O3，构建了合适的氧迁移通道，实现了写一次读多次型（WORM）以及闪存（Flash）的氧化石墨烯基二极管存储器，并有效提高了器件的存储开关比；并探讨了电极材料对氧化石墨烯基二极管存储器性能的影响，发现利用铝（Al）作为电极，存储器的良品率较高，而使用其他的金属材料作为电极时，存储器的良品率较低。（3）我们通过分析和比较氧化石墨烯二极管存储器不同的器件结构和制备工艺以及变温实验，对氧化石墨烯基二极管存储器的存储机理进行了探讨，发现氧化石墨烯基二极管存储器之所以存在不同的存储现象与氧化石墨烯活性层的厚度以及电极的形状有关，不同的存储现象和性能主要是由于在氧化石墨烯氧化还原过程中热效应和电场效应以及电荷缺陷造成的。在本项目的资助下，以第一作者或通讯作者在Advanced Materials、Journal of Materials Chemistry C、Nanotechnology、RSC Advances在内的学术论文10篇，授权专利1项，申请专利2项。上述成果为研制下一代的存储器提供了有效的技术储备。