新型掺杂 4.79 eV 带隙 ZnO 纳米粒子制备非易失性电荷存储器件
苏迪普辛哈罗伊
理论物理学家
量子轨道合成列兵。有限公司，印度
soudipsinharoy@(gmail.com, physicist.net)
抽象的
Ñowadays，在技术纳米材料的急剧参与已牵涉与主要目的的性能优化的各种应用，尺寸缩小，超低功耗等来克服微型设备的基本限制。这是必要的阶段，熟悉在加快应用科学为人类的流量为目的的传统大型技术的一个方便的选择。本文介绍了两种新型的非易失性器件结构，它们是通过层沉积方法逐层制造的。两个样品的 IV 测量证明器件特性为 p 型 - 绝缘体 -n 型配置。该测量证实，这些设备的制造成功，证明相比于从前的报告的载流子的改进的寿命的高密度的电荷的能力。该器件的测量阈值电压为 0.939V。
所制造器件的二极管特性
关键词：氧化锌，电荷存储装置，量子物理学，纳米技术
一、简介
要展开纳米已经呈现空有其态射，以迅速的性能表现尺度了激烈的维下来缩放分子和他们的应用程序隐藏的奥秘。分子信息技术的操纵有许多现有的方法，例如分子非易失性存储器、电子自旋器件、纳米存储器、基于量子点岛的器件、电容器件等，这些方法已经证明了它们在二进制逻辑和存储设备应用中的优越活性。如今，硬盘的实用性已经变得相当关键和即时，号称更小、更快地满足了人类当前的需求。非易失性电荷存储器件的制造开辟了一条在几纳米区域内具有数百万电荷存储容量的便捷途径。在这封信中，报道了基于 ZnO 纳米颗粒的非易失性存储器件，它为器件效率提供了更好的优化。为了制造该器件，涉及三种主要材料，即 PMMA、Ag NPs、ZnO NPs。在另一种类型的器件中，使用Nafion制造，它展示了 p- in二极管的基准。 PMMA层被用作隧穿势垒对提供到截止状态时的偏置的应用，但电阻期间被隧道传送的电子的路径中的电子。它还在截止状态下充当电子的高阻抗，通过保护反向隧穿来抵抗放电。为了制造该器件，使用了 ZnO 和Ag 掺杂的ZnO NPs，并将其专门溅射在 ITO 的表面上。已经介绍了两种不同类型的器件，首先检查了ITO/PMMA/Nafion，然后是掺杂 Ag NPs 的 ITO/PMMA/ZnO-NPs。掺杂的 ZnO 层的带隙减小，作为电子跳跃状态工作，并允许在超低功率输入下运行。
2. 非易失性存储器件的背景
自 19 世纪的最后 20 年以来，纳米技术的进步为当前技术带来了许多新的应用，以加速其电流超过其基本极限。分子技术已经消除各种并发症在器件制造和操作例如杂质不一致，热载流子扩散，升高光刻等，其真正克服了不想要的故障在电路的费用和严格收缩叠加状态的数目。在最近发表的文章中报道了[1,2]隧道电流取决于屏障电阻率隧穿 得到动态违反由于工作温度变化。因此，温度稳定性也是选择最终器件性能的关键点。
通过分子薄膜技术合成非易失性存储器件在几年前就已经完成。浮栅 MOS 器件在电荷存储方面的性能也可以接受，但存储密度较小，运行速度较低。纳米粒子的参与会产生具有宽带隙的高表面积，从而存储高密度数据和优化的运行速度，具有超低功耗和微小故障。展览
在 ITO 和 Ag NPs 层之间。另一份报告指出，结构 ITO/aC/ZnO/aC/Al 触点在开关速率和电荷存储能力方面也表现出非常高的优化，其中两个 aC 结合了其作用，基于 ITO/PMMA/Ag NPs 的器件之前已经报道过，表现出优越的性能适应性[2]。由于将 PMMA 层作为典型的绝缘体 [1] ，ON/OFF 比（开关率）也得到了显着提高。
3. 的准备 各自的纳米粒子
以下纳米粒子用于器件制造过程。这种纳米材料的合成过程非常简单、便宜且省时。所涉及的化学品易于商业获得。化学品清单如下。
硼氢化钠（NaBH4）； AgNO3 ;个人对战；醋酸锌-二水合物 (Zn(COOCH3)2.2H2O)；
异丙醇 (CH3 CH2 CH2 哦）;乙醇胺（C2H7 不）。
3.1。 ZnO NP制备方法
作为前体，市售醋酸锌二水合物(Zn(COOCH3)2.2H2O) 使用盐并将其溶解在摩尔质量为 60.09 g/mol 的异丙醇 (CH3 CH2 CH2 OH) 中。最终获得的溶液为0.5M。然后，将溶液搅拌并加入乙醇胺（C2H7 NO) 在恒定 80 搅拌期间逐滴加入 C 温度直到凝胶形成。获得凝胶后，样品在 35 ℃干燥 C直到溶剂完全蒸发掉。然而，即使在室温下，有机溶剂的蒸发速度也更快。
3.2. Ag NP制备方法
用 60ml 蒸馏水， 0.004M NaBH4 溶解并在冰浴中连续搅拌保持30分钟。在搅拌过程中，轻轻滴加 4ml 0.002M AgNO3，直至溶液颜色变为淡黄色。当封端剂轻轻添加时，一旦达到所需的颜色，0.3% PVP。之后, 立即将制备好的溶液存放在黑暗的空间中, 以避免粒子团聚。
3.3. Ag掺杂ZnO纳米粉体的制备方法
作为前体，使用可商购的醋酸锌二水合物(Zn(COOCH3)2.2H2O)盐并将其溶解在摩尔质量为 60.09 g/mol 的异丙醇 (CH3 CH2 CH2 OH) 中。最终获得的溶液为0.5M。然后，将溶液放入搅拌中，并在搅拌期间在恒定的80℃温度下逐滴加入乙醇胺(C2H7NO )，直到形成凝胶。 ZnO 凝胶形成后，5% 同心 AgNO3 在冰浴内以 6000 rpm 搅拌的同时逐滴加入。一旦掺杂成功，然后通过离心样品并通过MEA洗涤几次，获得亮白色Ag掺杂的ZnO纳米粉末。
图 1 | (a) 纯 ZnO NPs (50nm) 的紫外-可见测量，(b) 放大视图以进一步澄清
由于紫外可见光学带隙近似断言 BG= 1240/拉姆达 eV。
因此，上述 ZnO 样品的计算 BG 由 1240/258.40= 4.79 eV 给出。
纯 ZnO 纳米粒子的带隙约为 3.2eV，响应380nm 紫外波长。但在这种情况下，发现带隙的增量出乎意料，它在 258.40 nm 紫外波长处响应。在接下来的上下文中，这个原因将被揭示。关于这个主题的研究正在进行中。
4. 设备制造
制造是为任何理论物质提供物理方面的最终步骤。在这种情况下，已经制造了两种不同类型的设备。图 2 是基于 ITO/PMMA/ZnO NPs 的器件。该器件以电荷捕获和跳跃状态的基本基本过程运行。但第二个设备图。图 3 通过 Ag 掺杂降低了 ZnO 的带隙，从而实现了以优化的 ON/OFF 比运行的超低功耗。
4.1。 ITO/PMMA/Naffion结构化器件
Nafion的化学式是C7HF13O5SC2F4·。最初，ITO 在超声波发生器中用同心乙醇和丙酮反复清洗，然后在室温下干燥一小时。之后，通过合适的旋涂机将 ITO 暴露于 PMMA 并保持 24 小时。在室温下用于干燥目的。生长厚度为 40nm。干燥完成后，将高度纯化的 nafion 滴注到 ITO 干燥的 PMMA 表面上并干燥 24 小时。在室温下。
图 2 | ITO/PMMA/Nafion结构化器件
4.2. ITO/PMMA/Ag掺杂ZnO器件
制作工艺
最初，ITO 在超声波发生器中用同心乙醇和丙酮反复清洗，然后在室温下干燥一小时。之后，将 ITO 暴露于 PMMA 并保持 24 小时。在室温下。用于干燥目的。干燥完成后，将预合成的 Ag 掺杂 ZnO 纳米粉末稀释到 2 种丙醇中并溅射到 ITO 的干燥 PMMA 表面上，并产生 100 nm 厚的薄膜。之后，将样品在特殊用途下保持真空 48 小时。
图 3 | ITO/PMMA/Ag NPs/Ag掺杂ZnO结构器件
5. 通过 IV 进行性能论证 和 CV 测量
5.1。 基于 naffion 的设备的 IV 测量。
IV 测量是允许研究任何多极器件的电流与电压映射的技术。在这种情况下，两个制造的器件都是通过 IV 测量验证的双极系统。
图 4|基于 ITO/PMMA/Nafion 的设备的 IV 测量曲线
从上图 4 中可以清楚地看到，该曲线类似于电子正向电流为 2.39889e-9 A 的半导体二极管。与先前报道的器件相比，电流较高 [2]。这种高电流代表在 Nafion 的导带中发现电子的可能性很高。一旦电子受到电场作用，然后逐渐尝试克服 PMMA 势垒界面（厚度 250nm），在一定电压后，观察到电子的隧穿现象，从图中可以清楚地看出。 3. 在 0.831V 到 0.939V 的电位范围内，有一个电子跃迁，产生一个小的谷峰，满足通过 PMMA 薄膜的电子隧道效应。上谷提供 1.422e-9 A 电流，该电流立即下降至 1.4444e-10 A。从 0.939V 开始，该器件具有标准二极管特性。因此，该器件的阈值电压为 0.939V。从 -2V 到 +2V 的测量确保了这种二极管特性是合理的，并且符合标准的半导体器件。
5.2. 基于 Nafion 的设备的 CV 测量
基于 nafion 的样品的循环伏安法测量。将 K+ 离子保留在溶液中，进行 CV 测量。
图 5|带有 IV 四探针测量系统的基于 ITO/PMMA/Nafion 的设备的 IV 测量曲线
图 6|基于 ITO/PMMA/Nafion 的设备的 CV 测量曲线
根据 CV 分析，如果设备是完全可逆的，那么显然 ipa/ipc 应该等于 1。但在这种情况下，该比率与 1 相差 4.3170 倍。阳极电流 IPA 为 0.000351429A，阴极电流为 0.00151714A。在正向循环的情况下，电流相对于反向循环比较高。因此，可以确定该设备具有非易失性。这种非易失性以电荷支撑能力的形式出现。正向和反向两个循环之间的指定间隔为 2 秒。
5.3. 基于 Ag 掺杂的 ZnO 器件的 IV 测量。
图 7| ITO/PMMA/Ag 掺杂 ZnO NPs 基器件的 IV 测量曲线
从该测量曲线图 7 可以看出，该曲线遵循标准 p- in特性。中间绝缘层的加入使器件不同于一般的 pn 二极管半导体器件，其中 p 型和 n 型半导体由称为耗尽层的自感应绝缘层连接和分离。但是，当这个耗尽层被掩模制造时，器件特性变为 p- in特性，其中电子隧穿通过绝缘层发生。根据隧穿势垒的厚度，隧穿电流会发生变化并给出搜索隧穿电流，该电流通常会产生如图8 所示的振荡。根据测量曲线，在 3.984V 时获得的最大稳定电流输出为 3.2e-5 A . 此器件测得的阈值电压为 0.339V。
该图的完整框架如下图所示，图中突出显示的部分具有类似噪声的现象，这主要是由施加的电位范围内不需要的和不受控制的电子隧穿引起的，图 8。
图 8| 基于 ITO/PMMA/Ag 掺杂的 ZnO NPs 器件的 IV 测量曲线的完整曲线。
6. 结论
这项工作是为了制造基于 ZnO 和金属掺杂 ZnO 纳米粒子的非易失性器件。与四探针 IV 特性测量相结合，这些器件已证明两者都具有非易失性，并且具有非常低的阈值电压，可以在非常低的功率下触发器件。两种器件的电荷存储容量都有显着提高。 ZnO 的意外带隙正在通过若干观察和实验得到验证。在以后的文章中，可能会遇到这种情况。
参考
[1] 李福山，等。 , “嵌入无定形碳层中的 ZnO 纳米粒子的非易失性记忆效应”，日本应用物理学杂志 49（2010）070209。
[2] Biswanath Mukherjee 和 Moumita Mukherjee，“基于 Ag 纳米颗粒的非易失性存储器件：特性改进”Applied Physics Letters 94, 173510 (2009)； doi ：10.1063/1.3127233。
[3] VL Covin、MC Schlamp 和 AP Alivisatos：自然（伦敦）370（1994）354。
[4] T. Homma、T. Kutsuzawa、K. Kunimune 和 Y. Murao：固体薄膜 235 (1993) 80。
[5] M.堀江：J. Vac。科学。技术。一个 3 (1995) 2490。
[6] S. Mizuno、A. Verma、H. Tran、P. Lee 和 B. Nguyen：固体薄膜 283 (1996) 30。
[7] HJ Ko、KM Lee、HJ Lee 和 CK Choi：固体薄膜 506–507 (2006) 8。
[8] ZJ Donhauser, BA Mantooth, KF Kelly, LA Bumm, JD Monnell, JJ Stapleton, Jr., DW Price, AM Rawlett , DL Allara, JM Tour 和 PS Weiss, Science 292, 2303 2001。