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摘 要

信息时代的到来，信息的收集、传输和处理都不开存放信息的载体，因此存储器的发展尤为关键，而成熟存储器的更新升级似乎也已经接近了瓶颈，阻变存储器的出现为存储技术的发展提供了新的道路。与传统的存储器不同，阻变存储器是通过阻变层材料的阻态变化来实现信息存储。此外，由于聚合物的可分子设计和可溶液加工等优点，基于聚合物的阻变存储器能够在实现优良性能的同时适应不同应用的要求。本文主要研究基于聚合物的阻变存储器，通过旋涂和蒸镀等手段制备了以图案化还原氧化石墨烯为下电极、PEDOT:PSS与碳量子点复合材料为中间阻变层和图案化铝为上电极的“三明治结构”阻变存储器，具有制备工艺简单、结构简单和成本低廉的优势。在此基础上，对该器件进行了阻变特性测试和突触性能研究，获得了“单写多读”的阻变特性以及高达10⁵的电流开关比、3伏左右的工作电压和在低阻态下超过10⁴秒的保留时间，并通过载流子传导模型推测了阻变机制，也实现了罕见的模拟型阻变行为和数字型阻变行为共存的特性，为突触可塑性的研究和未来应用于神经网络奠定了基础。最后，对所做的工作进行了总结，对目前出现的问题和有趣的现象给出了自己的想法。

本工作成功制备了低功耗、高性能以及智能的阻变存储器，为后续的研究提供了一种新的思路。

关键词：阻变存储器 聚合物复合材料 模拟型阻变行为 数字型阻变行为

Design amp; Preparation of Polymer-based RRAM with Synaptic Properties

ABSTRACT

With the advent of the information age, the collection, transmission and processing of information are inseparable from the carrier storing the information, so the development of memory is particularly critical. The current devices begin to restrict the development of memory due to its complex structure, high cost and difficulty in increasing the storage speed. The emergence of resistive random access memories (RRAMs) provides a new path for the development of storage technology. Different from the traditional memory, RRAMs realize information storage through the resistance state change of the resistive switching (RS) layer. Due to customized molecular design and solution processing of polymer, polymer-based RRAMs can adapt to the different requirements, as well as achieving excellent performance.

In this paper, via spin-coating and vacuum evaporation, RRAMs were prepared with patterned reduced graphene oxide (rGO) as bottom electrode (BE), PEDOT:PSS with carbon quantum dots (CQDs) composite as the intermediate resistive switching (RS) layer and patterned aluminum (Al) as top electrode (TE). It is a simple “sandwich” structure with simple preparation process. On this basis, the devices were studied for RS and synaptic properties. Consequently, Write-Only-Read-Many (WORM) characteristics, ON/OFF Ratio of up to 10⁵, operating voltage of about 3 V, and retention time of 10⁴ s were obtained. The charge carrier conduction model was used to infer the RS mechanism, and the coexistence of analog resistance behavior (ARS) and digital resistance behavior (DRS) was realized, which laid the foundation for the study of synaptic plasticity and future application to neural networks. This work successfully prepared a low-power, high-performance, and intelligent RRAM, which provided a new approach for subsequent research.

Key Words: Resistive Random Access Memory; Polymer composite; Analog resistive switching; Digital resistive switching

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 传统与新兴非易失性存储器的对比 1

1.3 本文主要研究内容 2

第二章 阻变存储器概述 3

2.1 引言 3

2.2 阻变机制 4

2.2.1 导电细丝形成与断裂 5

2.2.2 电荷俘获和脱陷 6

2.2.3 氧化还原反应 6

2.2.4 基于有机材料的独特阻变机制 6

2.3 阻变存储器的研究进展 8

2.4 神经突触与人工突触 11

2.4.1 短期突触可塑性和长期突触可塑性 12

2.4.2 放电时间依赖可塑性 13

2.4.3 放电速率依赖可塑性 14

2.5 阻变存储器模拟神经突触的研究进展 15

第三章 基于PEDOT:PSS:CQDs的阻变存储器研究 20

3.1 引言 20

3.2 实验操作及相关仪器 20

3.3 表征测试与结果分析 22

3.3.1 阻变特性测试 22

3.3.2 突触特性研究 26

第四章 总结与讨论 28

4.1 总结 28

4.2 讨论 28

参考文献 31

附 录 37

致 谢 38

第一章 绪论

1.1 引言

随着信息时代的发展，信息的增长极其迅速，这给信息的收集、传输和处理带来了巨大的压力，与此同时，信息的存储因此不断进步，以满足信息增长的要求。全球市场研究和管理咨询公司Global Market Insights分析发现2019年存储领域的市场规模超过1000亿美元，并预计从2020年到2026年将以超过13.8％的复合年增长率增长，^[1]可见存储器未来的前景十分乐观。目前的存储系统市场中，闪存（Flash）和动态随机存取存储器（DRAM）是主流存储系统，二者在更新迭代过程中大规模覆盖市场的同时，也逐渐逼近其物理极限，进而在性能提升方面出现了瓶颈。^[2]因此，探寻新兴的存储技术是目前的普遍需求，其中非易失性存储器中的新兴方案也成为了人们研究的焦点。

1.2 传统与新兴非易失性存储器的对比

图1.2 成熟与新兴存储技术示意图。左下插图为Web of Science（科睿唯安）数据库中新兴（Burgeoning）存储器的研究趋势图。

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