过去十年以来,已经有一个密集的研究在有机电子领域,有机内存设备在这个领域的一个新兴研究领域。相当数量的架构以及材料设备的发展提出了记忆效应( 1- - - - - - 3]。中已报告的主要薄膜结构有机insulator-metal (MIM) [ 4- - - - - - 14],metal-organic-metal-organic-metal [ 15- - - - - - 17),金属纳米粒子嵌入在有机层在MIM结构( 18),设备的嵌入式金属纳米粒子取代有机粒子如富勒烯( 19- - - - - - 21],和碳nanoshells [ 22]。从最简单的架构和第一个显示内存的行为MIM架构。先锋作品之一就是实现了西蒙斯和Verderber 23),曾经SiO的薄膜₂无机绝缘厚度的纳米两个金属电极之间的顺序。作者解释了这一现象产生的电荷陷阱的无机膜由于电场。然而,人们提出了不同的理论来解释这种现象,其中一个由Thurstans和奥克斯利( 24]提出electroformation的效果。他们提到一次电压应用在设备上,电场诱导,这一领域将金属颗粒来自电极有机膜,形成金属岛屿。这些岛屿的负责任的电荷传导通过隧道细丝的通路。同样的记忆行为,之前提到过,据报道使用有机绝缘体。例如,Tondelier et al。 4)已获得基本相同的效果报道西蒙斯和Verderber [ 23在Al /并五苯/ Al设备,也就是说,阈值电压变化几乎线性有机薄膜的厚度和,在某些关键厚度、有机层像绝缘体。另一方面为薄电影,设备有欧姆行为。他们认为,这种现象是由于可能包含铝纳米颗粒在并五苯薄膜蒸发的电极。另一方面,贴画et al。 5]解释记忆效应在有机设备争论的存在多个丝通路,在同一个地方出现和消失的有机膜的时候写和擦除设备,分别。这些细丝与景点有关红外显微镜观察到的图像。他们利用聚合物具有不同的化学结构和带隙,如聚苯乙烯(PS)和polyspirofluorene有机绝缘体层,和spin-coated聚合物薄膜的厚度是60和170 nm之间的不同。他们的研究结果表明,氧化膜,固有的铝底电极,负责这一现象。在最后的论文( 6),这组包括故意一个半岛₂O₃电影polyspirofluorene MIM设备,从这里,他们得出的结论是,记忆效应与本机氧化铝层。这一层负责电阻转换效应和有机膜只充当一个串联电阻。然而,其他作者发现双稳态电气开关在PS和其他绝缘聚合物薄膜(50 - 400海里)捏造的辉光放电沉积技术,尽管他们使用了金电极( 25- - - - - - 27]。更多,Joo等人发现spin-coated PS和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)电影夹在底部铝电极(80海里)和铜电极(80海里)没有显示内存的行为( 28]。因此,绝缘子的记忆行为有机电影取决于许多实验参数,必须研究。

在这个工作我们使用PMMA、PS有机绝缘体层MIM设备。我们学习了内存上的膜厚度的影响行为,不同的厚度从7.5纳米到300纳米。我们发现薄PMMA薄膜以及薄PS电影显示蠕虫记忆行为超出临界厚度。一般来说,这些设备的国家获得2 V。此外,三种不同的溶剂被用于旋转涂布过程,这些溶剂不改变设备的电气行为。这表明只有相关膜厚度的影响。此外,我们的研究结果表明,铝/铝电极有机绝缘/ Al设备负责蠕虫记忆和类型的有机绝缘体层(PMMA、PS)只有轻微的影响。因此,我们的研究结果表明,导电细丝形成电应力下导致迁移的聚合物膜电极材料。

我们的设备架构是一个三明治型金属/有机绝缘/金属沉积在玻璃衬底(图 1)。道康宁玻璃基板的超声清洗,先后,丙酮,甲醇,异丙醇20分钟每一步,干在烤箱50°C,,最后,他们暴露在UV-ozone环境45分钟。底部电极被热蒸发沉积的压力 1 × 10 - - - - - - 6 托。这些设备中使用的金属铝,,有机的电影,我们使用PMMA(奥尔德里奇,Mw = 15000)以及PS(奥尔德里奇,Mw = 97400)。底部的沉积铝电极后,聚合物溶液由旋转涂布方法沉积在4500 rpm为40秒。的PMMA、PS等不同溶剂稀释氯仿(CF)、氯苯(CB)和二甲亚砜(DMSO)。不同浓度的解决方案准备PMMA(表 1)磁搅拌12小时左右,然后旋转涂布在底部电极。电影在80°C退火90分钟的受控大气氮。之后,顶部铝电极蒸发之前使用相同的过程描述为底部电极。铝电极的厚度大约是50 nm和细胞的有效面积是6毫米²。热蒸发金属电极的厚度和有机薄膜测量表面使用一个α步骤500分析器(从Tencor仪器,Inc .)。电气特性的设备没有任何设备在环境条件进行封装。的 电流-电压测量进行了通过使用一个吉时利236源测量单元。合规管理当前的设置,一般而言,在100 mA。铝电极和吉时利源之间的联系单位是用黄金弹簧探针。一般来说,扫描电压的不断应用,这些测量的速度是2 V / s。MIM设备的电气性能是相似的,无论在顶部和底部之间的极性电极电压扫描。上电极和聚合物薄膜的设备检查通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)。SEM图像被使用一个范FEG-XL30操作8千伏。

首先,我们调查了记忆行为获得的PMMA膜厚度的函数旋转涂布的PMMA / CB, PMMA / CF, PMMA / DMSO的解决方案。两个电极之间的PMMA薄膜嵌入。图 2显示了典型的 电流-电压PMMA(使用CB)薄膜设备的曲线,提出了在半对数的规模。曲线测量应用这两个电极之间的偏置电压和合规电流设定为100毫安,默认的合规的吉时利236源测量单元。第一电压扫描进行了从0到8 V,然后从8−8 V,最后从−8 - 8 V。的 电流-电压曲线表现出不同的反应的有机薄膜的厚度数据 2(一个)- - - - - - 2 (d))。厚度约7.5纳米,设备显示了欧姆行为没有阈值电压和电流100毫安(图的顺序 2(一个))。这种行为很容易理解并与电子隧穿过程( 29日]。此外,也有可能有些金属颗粒引入到聚合物上电极的蒸发过程中形成金属丝。

随着膜厚度继续增加, 电流-电压曲线开始显示记忆效应有不同的行为,如观察到数据 2 (b)- - - - - - 2 (d)。设备的厚度约17海里(图 2 (b))展示一个突然的转变发生在一个阈值电压( V th 2 V), 电流-电压曲线的变化从一个高阻抗()状态低阻抗的状态。在高电压区域( | V | > V th 在积极的和消极的),电压扫描,饱和电流。扫描电压时从8−8 V,内存设备切换到其他国家−6 V。这意味着设备的厚度和在这个电压间隔显示多级电导州( 5, 10]。后设备切换到第二个国家,电导率仍基本上在同一国家在接下来的扫描周期表明我们有write-once-read-many *(蠕虫)内存。第三种类型的行为发生的PMMA薄膜厚度约22纳米(图 2 (c))。设备最初表现出低电导率状态(关闭状态),随着外加电压增加,观察2 V的阈值电压。设备切换到国家和地区展出的负微分电阻(NDR),它只发生在第一个正面扫描(0→8 V)。在相反的电压扫描(8 V→0 V→−8 V),设备仍在国家和它不显示阈值电压。第二次扫描显示,一旦设备达到国家,这仍然是(图 2 (c))。事实上,这种状态也观察到超过1000读电压,即使电源是关闭的。再一次,我们已经获得了蠕虫的记忆。当膜厚度大于那些前所述,内存设备存在相同的蠕虫行为(图 2 (d))。然而,在国家的电流减少对薄有机电影(数字 2 (b)和 2 (c)),如表所示 1。此外,图 2 (d)显示设备,为厚电影(140海里),非常低的电导率。最后,当聚合物薄膜足够厚(约300海里),设备绝缘体的行为。一般来说,所有的虫子内存设备报告在这工作,无论厚度,显示很好的保留了成千上万的周期,甚至天,没有任何封装如如图 3对于一个铝/ PMMA / Al设备22纳米的厚度。

研究不同溶剂对PMMA薄膜的电响应,内存设备制造使用CF和DMSO溶液。这是观察到, 电流-电压测量是独立使用的溶剂(CB、CF和DMSO)和只取决于厚度的电影。这意味着相同的内存观察行为在一个特定范围的厚度,不管使用的溶剂。然而,如表所示 1,厚度取决于使用的溶剂以及PMMA浓度。一般,我们获得PMMA电影(我)厚度小于10纳米显示欧姆行为,(2)11日至20日之间厚度纳米显示蠕虫内存有两个州,(iii) 20 - 25 nm之间厚度显示蠕虫与NDR记忆,与厚度大于25 nm (iv)只显示蠕虫内存,,最后,与厚度大于300纳米(v)显示绝缘体的行为。PS内存设备制造通过使用不同的溶剂,结果同PMMA相似,如如图 4。我们发现只有微小的差异在不同的内存的厚度范围的行为。例如,蜗杆与多级记忆状态,现在观察到从8到14 nm和蠕虫内存NDR从15海里。为了确定确切的厚度范围,需要做更多的实验。然而,结果已经表明,一些实验参数微小变化会导致重大的电气行为的变化。

了解不同厚度的影响PMMA薄膜的电气性能,我们研究了他们的形态。图 5显示了两个PMMA薄膜的形态与两种不同的厚度,9和15 nm(数字 5(一个)和 5 (b)、职责),使用CB捏造。他们研究了AFM和电影15 nm揭示了一个很好的沉积小粗糙度约0.3纳米。一般来说,所有的电影处理不同溶剂显示良好的沉积,除了电影小于10纳米。后者目前欧姆行为(图 5(一个)),他们显示洞内电影顺序相同的膜厚度。这些漏洞负责欧姆行为因为他们导致电极之间的短路。类似的AFM图像被民众和同事报道AIDNC电影在同一厚度范围( 30.]。另一方面,厚度大于10 nm的电影没有显示出洞,因此,他们不是虫记忆的行为负责。设备的电气性能的变化可能与金属颗粒的引入到聚合物薄膜。这些金属颗粒可能来自上电极,这是热蒸发时,两电极以及当电压增加在第一电压扫描。通过这种方式,这种注射的金属颗粒可以生产金属丝在聚合物电影,这将是负责聚合物电导率增加。从第一个状态切换到第二个图 2 (b)NDR图 2 (c)将对应于最弱的破坏金属丝由于焦耳加热,一个更高的电压时,在随后的电压周期不改革。阐明如果单纤维的形成是负责任的蠕虫记忆行为的机制,我们有检查的影响通过SEM电影上的电压。

可再生的双稳态开关已在设备基于PS薄膜和其他绝缘聚合物( 5, 24- - - - - - 26]。知道虫吃内存的行为我们的设备是一个区间的结果使用电压,间隔增加学习这如何影响他们的形态及电气性能。图 6显示了 电流-电压曲线的Al / PMMA / Al设备有机的22纳米薄膜厚度。就像前面提到的,这种厚度的设备显示蠕虫记忆行为与NDR电压扫描从0到8日8−8,−8 - 8 V。研究形态变化和损害应用程序造成的电压扫描PMMA薄膜( 31日),有必要消除铝电极顶部。然而,去除顶部电极不破坏聚合物层将是非常复杂的。因此为实现这一目标,一个10 nm聚乙烯醇(PVA)层是自旋涂上电极和22纳米溶胶层,与水就被移除的电压周期后的应用程序。请注意,我们正在改变设备的总厚度,因此, 电流-电压特点,但我们的目的是研究以定性方式上电极的电场的影响和PMMA薄膜的记忆装置。此外,PVA-PMMA层的总厚度(32 nm)类似于电影和蠕虫的行为(见图 2 (d)和表 1)。顶部电极和有机层用扫描电镜观察。从这些数据 7(一)和 7 (b)没有明显的损害PMMA层的底部表面上电极观察周期8 V应用时,与原始的。从元素映射SEM照片,我们无法正确观察铝粒子在电影因为信号来自底部铝电极干扰。然而,这种不便解决利用ITO电极底部,而不是艾尔。从元素映射,我们观察铝粒子的注入到电影,这样单纤维的形成是发生。

当电压使用的间隔延长,MIM设备22纳米的厚度显示其他阈值电压−15和20 V(图 6),这表明一些水平的电传导的形成。这些新水平的电导率是通过使用以下过程。从0到−15 V电压扫描应用,在−12 V ( V th2 ),设备导电率从状态3 (2 3 × 10 - - - - - - 5 读1 V)。在此电压扫描,我们注意到顶部电极开始燃烧,可能由于焦耳加热。我们认为这损害的责任机制是顶部电极电导率的降低( 25, 26, 32]。在随后的电压扫描(从从15到−−15 - 15 V和15 V)设备仍在状态3,即使供应是关闭的。最后,一个电压扫描进行了从0到30 V。在这个扫描,设备显示另一个电导开关在20 V ( V th3 从状态3 - 4)( 1 × 10 - - - - - - 7 读1 V)。电导率仍有以下电压扫描(从30从−−30 V和30 - 30 V)。量化的损失更高的电压周期顶部电极和有机层,我们已经意识到为了研究之前描述的相同过程,利用SEM、物理损坏设备电压应用程序的结果。为此,周期从0到20 V,从20−20 V,从−20 - 20 V应用于设备制造与PVA层10 nm和PMMA的22纳米层。我们观察到在20 V的电压,PVA-PMMA设备开始燃烧同样没有PVA的电影。数据 7 (c)和 7 (d)显示强大的电场的影响聚合物和铝层,分别。从图 7 (c),圆形火山口形成的聚合物层可以欣赏,材料似乎被驱逐,而且,从图的插图,去除铝粒子的坑。另一方面,数字 7 (d)底部显示了断裂表面的铝层。因此,这些损失在电影上电极和PMMA来自焦耳加热以及强烈的电场,并负责电导率降低。因此,这些对多态的存在高压应用程序的结果对设备造成损坏,表明一旦金属丝被打破,他们是不可能进行改革。其他可能的解释可能是,纤维的断裂或破坏速度比他们的形成。

其他重要变量的单纤维的形成是合规电流。在图 8,我们比较合规的影响目前的电特性17海里PMMA的记忆。首先,我们有电铸成形设备使用合规20 mA电流和电压偏差被从0到8 V。之后,我们研究了纤维的形成和破裂取决于合规电流和电压区间。注意,所有的实验都进行同样的设备。当合规电流低,40 mA,我们观察(图 8(一个)) 电流-电压曲线几乎保持不变。这可能发生,因为在low-compliance电流,可能没有破裂或新纤维的形成。另一个可能的解释是,形成新丝的速度等于其破裂。合规电流的增加60马(图 8 (b))显示了类似的结果为40 mA报道,尽管在第一扫描电压,我们观察新纤维的形成,可能最弱的破裂。当合规电流增加到80 mA(图 7 (c)),我们观察到的新纤维的形成,在第一扫描电压,但自第二次扫描,由于电阻加热丝的破坏远远大于他们的形成。因此,MIM设备的导电率急剧降低。我们执行五个扫描电压的设备,和我们没有观察到恢复最初的导电性。这表明在按照电流,一旦由于焦耳加热丝被打破,这些是难以改革或纤维的生成速率远小于其破裂。此外,我们研究的可能性,增加纤维的形成率对其破裂。为此,偏差电压被从0到12 V,而合规电流降低了从80年60马马。图 7 (d)表明,电导增加第一和第二电压扫描,表明纤维形成的速率高于其断裂或破坏。这种电导率复苏可以与新涌入的金属颗粒来自骨折由于电场和电极,作为结果,新纤维的形成。第三扫描电压,断丝率高于他们的形成,因此,电导率开始下降。第四扫,几乎所有的丝被和电导率是最小的。单纤维的形成开始再次扫描后的电压。在扫描中执行这个电压区间,观察乍一看,顶部电极开始降低由于强烈的电场和焦耳加热。这些结果表明,合规电流和电压区间基本参数MIM细丝的形成和破裂的设备。

我们获得蠕虫内存设备通过使用结构简单铝/绝缘聚合物/铝。特别是,我们使用PMMA等PS绝缘子聚合物,和电影已经被旋转涂布沉积技术使用不同的溶剂。的 电流-电压设备的行为是独立于所使用的溶剂和聚合物,但这很大程度上取决于有机层的厚度,合规电流,电压间隔期间使用电压扫描。MIM设备显示膜厚度的不同的行为作为一个功能:(i)电影有厚度小于10纳米短路,(ii) 11至20纳米膜厚度时设备显示了一个蠕虫行为有两个州,(iii)电影厚度20至25 nm蠕虫NDR强劲的记忆,与厚度大于25 nm (iv),聚合物电影展示蠕虫记忆,(v)最后,有机电影超过300海里绝缘子的行为。绝缘子的微不足道的依赖聚合物类型用于内存设备使我们认识到,有机层的影响是最小的,我们可以把记忆效应的金属电极。我们认为小金属颗粒来自铝电极蒸发过程中介绍了顶部电极和/或在两电极电压的应用程序。这些粒子的引入的责任机制是电导开关的设备和金属丝的形成。因此,一些设备的存在与NDR两个国家或地区获得当一些弱的金属丝不可逆打破由于焦耳加热。