МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 1, с. 56-61
= ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.38-022.532
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ МЕМРИСТОРОВ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПОЛИАНИЛИН-ГРАФЕНОВ © 2013 г. Т. С. Берзина2, К. В. Горшков1, В. В. Ерохин2, В. К. Неволин1, Ю. А. Чаплыгин1
1 Национальный исследовательский университет "МИЭТ", Москва 2 CNR-IMEM, Department of Physics, University of Parma, Italy E-mail: gorshkov_konst@mail.ru Поступила в редакцию 15.05.2012 г.
Исследована возможность интеграции графеновых пленок с применением метода Ленгмюра-Ше-фера в структуру рабочего канала органического мемристора. Проведен анализ изменения электрических характеристик мемристорных структур при наличии графенов в рабочем канале элемента. Обнаружены новые эффекты, такие как увеличенный рабочий диапазон напряжений и ¿-образная форма вольтамперных характеристик, что, наиболее вероятно, связано с накоплением заряда в области графеновых листов.
Б01: 10.7868/8054412691301002Х
ВВЕДЕНИЕ
С момента открытия нового класса элементов электроники, а именно, мемристоров, данный элемент привлекает значительный интерес в научном мире. Мемристор, может быть рассмотрен как резистор с памятью. Непосредственный интерес связан с особенным свойством мемристора, а именно, изменением проводимости в зависимости от предыдущего функционирования, то есть, участия в процессе передачи сигнала (переноса заряда). Такая пластичность изменения проводимости может быть использована для построения искусственных электронных элементов, аналогичных синапсам нервной системы живых организмов, обладающих памятью и способностью к обучению.
Впервые, мемристор был теоретически предсказан Леоном Чуа [1]. На основе симметрии свойств пассивных элементов (резистор, конденсатор, катушка индуктивности), Чуа предположил, что для логической завершенности не хватает четвертого пассивного элемента, который осуществлял бы прямую связь между зарядом и магнитным потоком.
Практически мемристор был реализован только в 2008 г. Группой ученых [2], был предложен двухэлектродный элемент на основе тонкой полупроводниковой пленки двуокиси титана (1Ю2) с распределенным легированием. Принцип работы такого элемента основан на продольном смещении легирующих примесей (кислородных вакансий) в электрическом поле. Однако для образо-
вания связи между зарядом и магнитным потоком, требуется движение зарядов в двух перпендикулярных направлениях. После публикации [2] такие элементы были связаны с названием мемри-стор.
Органический мемристор впервые был реализован в 2005 г. [3], но отнесен к классу мемристоров только в 2009 г. [4].
Применение органических материалов для формирования мемристорных элементов является наиболее интересным, если говорить о приближении к биоподобным процессам обработки информации и аппаратной реализации нейро-морфических цепей [5], учитывая также тот факт, что процессы, протекающие в мозгу живых организмов имеют электрохимическую природу. Более того, применение электрохимического подхода к формированию элементов является инновационным решением, поскольку отличается от традиционных методов твердотельной электроники и позволяет сделать связь между микроэлектронными устройствами и биологическими системами.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ОРГАНИЧЕСКОГО МЕМРИСТОРА
Органический мемристор представляет собой трех электродное устройство, в котором электроды названы по аналогии с полевым транзистором, хотя их роль в данном случае не совсем такая же. Кроме того, существуют отличия в конструкции, принципе работы и, особенно, в свойствах элемента, по сравнению с полевым транзисто-
Рис. 1. Схематическое представление органического мемристора.
ром. Ближайший аналог, электрохимический полимерный выпрямляющий элемент, описанный в [6], так же имеет значительные отличия от реализованного мемристорного элемента.
В качестве проводящего канала используется тонкий слой полианилина (ПАНИ), нанесенный на непроводящую подложку с двумя металлическими электродами. В центральной части канала наносится полоска твердого электролита (допи-рованный перхлоратом лития полиэтилен оксид (ПЭО)), в который помещена металлическая проволока, выступающая в качестве третьего электрода. Схематично, устройство представлено на рисунке 1.
В соответствии с терминологией, используемой для полевых транзисторов, два электрода, которые соединены пленкой ПАНИ, называются исток и сток. Электрод, помещенный в ПЭО, назван затвором или, что более корректно в данном случае, электродом сравнения. Электроды сток-исток выполнены из хрома. В качестве электрода сравнения использована серебряная проволочка. Фактически, только два электрода используются для включения элемента во внешнюю цепь, поэтому можно сказать, что элемент является двухэлек-тродным. Третий электрод, электрод сравнения, присоединен к истоку, соединенному с землей. Область канала ПАНИ, находящаяся в непосредственном контакте с электролитом, называется "активной зоной".
Принцип работы такого элемента основан на свойстве ПАНИ менять электрическую проводимость в зависимости от своего редокс-состояния. Разница в проводимости полимера, в восстановленном и окисленном состоянии может достигать восьми порядков величины.
Схема включения мемристора в электрическую цепь так же приведена на рис. 1. Для характериза-
ции устройства рассматривается два тока: /ион — ионный ток в цепи электрода сравнения, то есть ток, протекающий от активной зоны ПАНИ к электроду сравнения через электролит ПЭО; 1с — ток стока, или общий ток элемента, представляющий собой сумму ионного тока и электронного тока, проходящего через пленку ПАНИ от стока к истоку. Однако для лучшего понимания принципа работы органического мемристора рассматривается ионный ток /ион и электронный ток /э. При этом электронный ток /э, определяется как разница между общим током элемента 1с и ионным током /ион. Вольтамперные характеристики (ВАХ) для органического мемристора показанного на рис. 1 приведены на рис. 2.
Приложение напряжения к стоку в такой схеме приводит к тому, что область канала под электролитом приобретает некоторый потенциал относительно электрода сравнения, и, из-за наличия электролита, происходит либо окисление, либо восстановление ПАНИ в этой области, в зависимости от полярности и величины приложенного к стоку напряжения.
Изначально, активная зона мемристора находится в непроводящем состоянии, что подтверждается низким значением электронного тока (диапазон напряжения от 0 до +0.4 В) (рис. 2б). При некотором значении напряжения (около +0.6 В) на кривой характеристике ионного тока (рис. 2а) наблюдается пик, прохождение которого сопровождается значительным увеличением электронного тока (рис. 2б), что говорит об изменении проводимости пленки ПАНИ. Значение напряжения пика соответствует окислительному потенциалу пленки ПАНИ. После прохождения пика окисления, активная зона переходит в поводящее состояние. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к высоким значениям
<
я
м о Н
400 200 0
-0.5 0 0.5
Напряжение, В
А
н
м о Н
1000 800 600 400 200 0
0.5 0 0.5
Напряжение, В
Рис. 2. ВАХ мемристора на основе ПАНИ-ПЭО: (а) ВАХ ионного тока; (б) ВАХ электронного тока. Пустые ромбы обозначают участки кривой при увеличении напряжения, заполненные квадраты представляют участки характеристики при уменьшении напряжения.
электронного тока. Однако напряжение не может превышать значение равное +1.5 В, поскольку произойдет необратимое окисление пленки ПАНИ. Таким образом, рабочий диапазон напряжений органического мемристора находится в пределах ±1.2 В. Во время изменения напряжения от максимального положительного значения до значения напряжения +0.1 В, кривая электронного тока (рис. 2б) имеет линейный характер. На графике ионного тока (рис. 2а) при данном значении наблюдается отрицательный пик, соответствующий восстановлению ПАНИ, т.е. переходу активной зоны в непроводящее состояние. После прохождения этого значения, в области отрицательных значений прикладываемого напряжения, можно видеть значительное снижение электронной проводимости мемристора.
Органический мемристор является пожалуй единственным на данный момент мемристорным элементом, для которого напрямую была показана зависимость проводимости от величины прошедшего через него заряда (ионной составляющей) [7].
Целью данной работы является формирование активного канала органического мемристорного элемента на основе тонких комплексных пленок полианилин-графен и изучение его электрических характеристик.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Графен-содержащий материал был предоставлен российской компанией "Карбонлайт". ПАНИ в форме эмеральдинового основания (молекулярная масса 100000), ПЭО (молекулярная масса 8000000) и LiClO4 были приобретены в компании Sigma.
Первоначально, стояла задача интеграции гра-фенов в слой ПАНИ. Так как рабочий канал эле-
мента формируется на основе ПАНИ с применением метода Ленгмюра-Шефера (Langmuir-Schaefer (LS)), то, прежде всего, была исследована возможность формирования монокомпонентных Ленг-мюровских пленок графенов и переноса их на подложку.
Графен-содержащий порошок помещался в органический растворитель 1-метил-2пирролидон (НМП) и подвергался ультразвуковой обработке на частоте 35 кГц в течение полутора часов. Полученный светло-серый раствор отстаивался в течение нескольких часов для удаления агрегатов вследствие их естественного осаждения на дно.
Нанесение LS-пленок проводилось с помощью KSV 5000 LB ванны. В качестве субфазы использовалась деионизованная вода (удельное сопротивление более чем 18.2 МОм х см), приготовленная с помощью Milli-Rho-Milli-Q системы.
На поверхность субфазы LB-ванны наносилось 250 мкл надосадочного графен-содержаще-го раствора. После поджатия до поверхностного давления 15 мН/м, проводился перенос сформированного графенового монослоя на кремниевую подложку по методу Ленгмюра-Шефера. Исследования морфологии перенесенного слоя проводились на сканирующем электронном микроскопе Zeiss SUPRA 40 (рис. 3).
Было обнаружено, что нанесение по LS-мето-ду позволяет формировать графеновые "листы", практически не на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.