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研究生:宋佾欣
論文名稱:PS/ZnO Nanorods雙層結構遲滯I-V特性之研究
論文名稱(外文):Hysteretic I-V Characteristics of PS/ZnO Nanorods Stacked Structure
指導教授:吳幼麟
口試委員:胡振國吳幼麟林錦正林士弘
口試日期:2016-07-06
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:36
中文關鍵詞:遲滯聚苯乙烯氧化鋅奈米柱電阻切換
外文關鍵詞:HysteresisPolystyreneZnO nanorodsResistance switchingSCLC
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本論文主旨在研究聚苯乙烯(Polystyrene, PS)加上氧化鋅奈米柱(ZnO Nanorods)堆疊雙層結構的MIM元件之遲滯I-V特性量測,並對於此雙層結構會產生的遲滯現象做更深入的探討。

在本論文中,我們將聚苯乙烯以及氧化鋅奈米柱(ZnO nanorods, ZnO NRs)製作在氟化氧化錫導電玻璃(FTO)基板上,再蒸鍍鈦(Ti)做為上電極,分別完成為Ti/PS/ZnO-NRs/FTO、Ti/PS/FTO以及Ti/ZnO-NRs/FTO此三種結構的元件。氧化鋅奈米柱是使用超音波噴塗種晶層後以水熱法成長,聚苯乙烯是調配成有機溶液後用旋轉塗佈使其均勻分佈在氧化鋅奈米柱及導電玻璃基板上,上電極鈦是使用電子槍(E-gun)在遮罩後的元件上真空蒸鍍完成。

成功製作完成元件後,使用Agilent 4156B進行電流-電壓(I-V)特性量測,我們是以鈦為正電極、FTO導電玻璃基板為負電極進行量測。我們的實驗結果發現,在聚苯乙烯加上氧化鋅奈米柱堆疊的雙層結構(Ti/PS/ZnO-NRs/FTO)中,會有遲滯的電流-電壓特性產生,只有單獨使用聚苯乙烯或是氧化鋅奈米柱結構的元件(Ti/PS/FTO、Ti/ZnO-NRs/FTO)只會有非常小遲滯的電流-電壓特性發生。我們發現遲滯的電流-電壓特性會因為改變回掃時的停止電壓而改變,也會隨著掃描電壓的斜坡率而變化。再從雙對數的遲滯電壓-電流特性圖發現其電流傳導會遵守空間電荷限制電流Space-Charge-Limited Current(SCLC)模型,我們試著透過此模型來解釋所觀測到的遲滯現象是因為聚苯乙烯與氧化鋅奈米柱的接面上會產生高密度的電荷陷阱所致。

The purpose of this thesis is to investigate the hysteretic current-voltage (I-V) characteristics of a bilayer structure of polystyrene(PS) and ZnO nanorods (ZnO NRs), and examine in depth the cause of the I-V hysteresis.

In this work, three different structures, PS/ZnO-NTds, PS, and ZnO-NRs were fabricated on fluorinated tin oxide (FTO) glass substrate and an evaporated Titanium (Ti) layer was used as top electrode. The ZnO Nanorods were deposited by hydrothermal method after a ZnO seed layer was firstly deposited onto the FTO glass substrate by ultrasonic spray pyrolysis technique. The PS layer is then spin-coated on the surface of the ZnO Nanorods. Finally, an e-gun evaporated Ti layer was deposited onto the PS layer to complete the devices.

A semiconductor parameters analyzer Agilent 4156B was used to measure the I-V characteristics, with positive probe placed on the Ti layer and negative probe on the FTO glass substrate. It is found that the device with Ti/PS/ZnO-NRs/FTO structure has hysteretic I-V characteristics, while the device with PS layer or ZnO nanorods alone (that is, Ti/PS/FTO or Ti/ZnO-Nanorods/FTO) has not of. We also found that the hysteretic I-V characteristics of the Ti/PS/ZnO-NRs/FTO structure change as we alter the stop voltage of the return sweep. The hysteresis is different if we change the ramp rate of the sweep voltage during the I-V measurement. From the log I – log V curves, it is found that the current conduction in the Ti/PS/ZnO-NRs/FTO structure obeys the Space-Charge-Limited Current (SCLC) model. Through which, the I-V hysteresis was then explained assuming a high density traps formed at the interface between the ZnO Nanorods and the PS layer.

目次

摘要………………………………………………………………………………………..I
Abstract………………………………………………………………………………..III
目次………………………………………………………………………………………V
圖目次………………………………………………………………………………....VII
第一章 緒論...........................................................................................................1
第二章 電阻式記憶體運作理論簡介………………………………….2
2-1. 莫特變換理論………………………………………………………………2
2-2. 蕭特基發射………………………………………………………………….3
2-3. 穿隧效應…………………………………………………………………….3
2-4. 歐姆傳導……………………………………………..……………………...4
2-5. 空間電荷限制電流………………………………………………………...4
2-6. 普爾-法蘭克發射…………………………………………………………..5
2-7. 離子傳導……………………………………………….……………………6
2-8. 燈絲理論…………………………………………………………….............6
第三章 實驗方法與步驟……….………………………………………….12
3-1. 實驗材料與藥品…………………………………………………….……12
3-2. 實驗步驟、流程、架構……………………………………………….…12
3-2-1. 清洗FTO基板…………….………………………………...........13
3-2-2. 超音波噴塗醋酸鋅種晶層…...…………………………….……13
3-2-3. 水熱法成長ZnO Nanorods……...……………………………….14
3-2-4. 旋轉塗佈PS………………………...…………………….……...14
3-2-5. 鍍電極Ti…………………………………...……………..……...15
第四章 結果與討論………………………………………...…………..…...18
4-1 I-V特性量測……………………………………………..………………...18
4-2 PS/ZnO nanorods雙層結構產生遲滯特性…………………………..18
4-3 不同回掃的停止電壓……………………………………………….……20
4-4 不同步階電壓的斜坡率…………………………………………………21
第五章 結論……………………………………………………….……………31
參考文獻……………………………………………………………….…………33




圖目次

圖2-1. 莫特變換中因電子與能帶交互作用所造成能帶的改變示意圖………………7
圖2-2. 莫特變換理論示意圖..…………………….…………………….……………...8
圖2-3. (a)traps能障與跨越能障所需電壓之示意圖(b)電阻切換之電性圖(c)完整傳導示意圖……………………………………………………………………………9
圖2-4. 絕緣層內之導電燈絲示意圖..……………………………………………….10
圖2-5. 燈絲理論解釋RRAM運作之示意圖..………………………………………11
圖3-1. 實驗步驟流程圖(a) Ti/PS/FTO之流程圖 (b) Ti/PS/ZnO nanorods/FTO之疊層流程圖 (c) Ti/ZnO nanorods/FTO之流程圖…………………………………..16
圖3-2. Ti/PS/ZnO nanorods/FTO之疊層結構圖..…………………………………….17
圖3-3. Ti/PS/FTO之結構圖..………………………………………………………….17
圖3-4. Ti/ZnO nanorods/FTO之結構圖...……………………………………………..17
圖4-1. Ti/PS/ZnO-NRs/FTO結構回掃時不同停止電壓之I-V圖.…………………...23
圖4-2. Ti/PS/ZnO-NRs/FTO結構不同步階電壓斜坡率之I-V圖……………………24
圖4-3. Ti/PS/FTO結構之semi-log I-V曲線圖,電壓斜坡率為0.005V/s…………….25
圖4-4. Ti/ZnO NRs/FTO結構之semi-log I-V曲線圖,電壓斜坡率為0.005V/s……..26
圖4-5. (a) Ti/PS/ZnO-NRs/FTO, (b) Ti/PS/FTO及Ti/ZnO-NRs/FTO元件結構之log I – log V之電性圖………………………………………………………………….27
圖4-6. (a)加電壓前之能帶圖(b)加電壓後之能帶圖(c)traps填滿後之能帶圖………28
圖4-7. Ti/PS/ZnO-NRs/FTO結構的不同停止電壓之線性尺度I-V圖………………29
圖4-8. Ti/PS/ZnO-NRs/FTO結構在掃描電壓由0V至4V但以不同步階電壓斜坡率(0.005V/s, 0.01V/s及0.02V/s)所量得的線性I-V曲線..…………………….30
圖4-9. Ti/PS/ZnO-NRs/FTO結構在掃描電壓由0V至4V但以不同步階電壓斜坡率(0.005V/s, 0.01V/s及0.02V/s)所量得的線性log I – log V曲線..…………..31

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