【摘 要】
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二维材料具有原子级厚度结构特征和高导电性、高透明性、柔韧性等优异物理特性,使得它们在制造电子器件方面具有光明的前景。然而,如何将二维材料集成到商用芯片和电路仍面临很大挑战。这是因为二维材料在制造和加工过程中,其结构可能受到破坏,导致性能受损。最近的研究表明,传统金属沉积技术(如电子束蒸镀等)会严重破坏二维材料的结构。针对上述问题,本工作采用喷墨打印技术在超薄二维材料氮化硼(h-BN)表面沉积金属,
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二维材料具有原子级厚度结构特征和高导电性、高透明性、柔韧性等优异物理特性,使得它们在制造电子器件方面具有光明的前景。然而,如何将二维材料集成到商用芯片和电路仍面临很大挑战。这是因为二维材料在制造和加工过程中,其结构可能受到破坏,导致性能受损。最近的研究表明,传统金属沉积技术(如电子束蒸镀等)会严重破坏二维材料的结构。针对上述问题,本工作采用喷墨打印技术在超薄二维材料氮化硼(h-BN)表面沉积金属,避免了对h-BN原子结构的破坏,可以使其保持清晰的界面,且基于喷墨打印电极的忆阻器展示出良好的性能。本文首先探究了电子束蒸镀、溅射和喷墨打印技术等沉积方法对二维氮化硼的界面和内部结构的影响。通过对样品的透射电子显微镜图象进行分析,发现采用电子束蒸镀和溅射的金属会使氮化硼的上下界面和内部结构发生畸变,而采用喷墨打印技术沉积的金属未明显改变超薄二维氮化硼的原子结构。在喷墨打印电极保护下的二维氮化硼的X射线能量色散谱中的氮元素分布均匀且连续,电子能量损失谱中的硼曲线和氮曲线对称且重合,而电子束蒸镀和溅射的金属下的二维氮化硼的X射线能量色散谱中的氮元素分布不均匀、不连续且范围变小,电子能量损失谱中的硼曲线和氮曲线的变化显示二维h-BN变薄。针对电子束蒸镀和溅射更容易损伤二维氮化硼与相邻材料的界面而不是氮化硼内部原子结构这一现象,采用第一性原理计算了一个金原子进入到二维氮化硼需要的能量,结果显示一个金原子想要进入到没有缺陷的二维氮化硼中需要至少14 eV的能量,而进入到非晶态的氮化硼中只需要不超过6 eV的能量。在喷墨打印电极可以有效保护二维氮化硼的界面的基础上,我们进一步制备了基于喷墨打印电极的忆阻器,与基于电子束蒸镀电极的忆阻器进行了器件性能的对比研究。本文研究结果发现,基于喷墨打印电极的忆阻器的漏电流比电子束蒸镀电极的忆阻器的漏电流小两个数量级,这意味着更低的功耗。同时,基于喷墨打印电极的忆阻器需要更高的击穿电压来实现阻变,这说明该忆阻器有更高的可靠性。除此之外,在0.07 V的偏压下,基于喷墨打印电极的忆阻器可以在两个电流态间随机变换,展现出可以作为真随机噪声发生器的熵源的应用潜力。本文的研究结果对于深入理解喷墨打印技术并将其应用到二维材料中具有重要意义,有助于更好地设计和优化电子器件和电路。
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