通过气溶胶火焰合成法制备的碳-TiO?纳米复合薄膜表现出电容耦合的非夹紧I-V特性以及II型忆阻行为

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Capacitive-coupled non-pinched I–V and type II memristive behavior of carbon-TiO 2 nanocomposite films fabricated through aerosol flame synthesis

气溶胶火焰合成制备的碳-二氧化钛纳米复合薄膜通过拉曼光谱、紫外-可见光谱和原子力显微镜表征，显示其具有显著的可见光吸收增强和电容耦合非零交叉特性，经暗置和光照处理后表现出可逆的电阻开关行为，为新型电子器件提供潜在材料。

　　钛 dioxide（TiO?）作为一种历史悠久的半导体材料，在电气和电子领域有着广泛的应用。这些应用包括随机存取存储器、生物混合接口、传感器和神经形态计算等。尽管如此，这些应用目前仍处于发展的初级阶段，受到基础理解上的空白和技术创新限制的影响。TiO?的多功能特性使其成为一种极具潜力的材料，但其在实际应用中的性能受限于其宽禁带、低吸收能力、高电子-空穴复合率以及在可见光下活性较低等问题。因此，研究人员一直在探索通过掺杂金属和非金属元素来改善其性能的方法。

在本研究中，科学家们通过一种定制的气溶胶火焰合成（AFS）反应器，采用一种简便的一步合成技术，成功制备了碳（炭黑）和TiO?的纳米结构复合薄膜。这种技术能够对纳米结构、结晶性、缺陷化学和碳成分的掺入程度进行良好的控制。研究团队利用扫描移动粒子粒径分析仪（SMPS）分析了火焰中颗粒的尺寸分布，并通过拉曼光谱、紫外-可见光谱（UV–VIS）、原子力显微镜（AFM）和电流-电压（I-V）测量等手段对C-TiO?薄膜的微观结构和组成进行了深入研究。拉曼光谱和光吸收分析确认了C-TiO?薄膜中碳和TiO?的存在，并量化了其含量。研究结果表明，C-TiO?纳米结构薄膜在电学特性上表现出非零交叉的电容耦合和II型迟滞行为，这为该材料在新型电子设备中的应用提供了新的可能性。

研究团队还发现，当C-TiO?薄膜在黑暗中储存48小时后，其电容耦合的忆阻效应会消失，但经过12小时的阳光照射后，这种效应会重新出现。这一现象很可能与TiO?在纳米复合薄膜中的光敏特性有关。在阳光照射下，光子能够激发电子从价带跃迁到导带，从而促进氧气的释放，形成新的氧空位。这些氧空位在电导路径中起着关键作用，有助于恢复忆阻效应。这一发现表明，通过调控氧空位的形成和分布，可以有效地调节C-TiO?薄膜的电学特性，为开发光辅助调控的存储器件提供了新的思路。

此外，C-TiO?薄膜的电导率相较于纯TiO?薄膜得到了显著提升，这可能归因于碳的引入改善了电荷传输路径。AFM表面形貌分析显示，C-TiO?薄膜中的纳米颗粒分布均匀，具有良好的尺寸和形状一致性，这表明合成过程稳定且可控。这些纳米结构的特性对于其在电子器件中的应用至关重要，因为它们直接影响材料的性能和功能。

在实际应用方面，C-TiO?纳米复合薄膜展现出良好的潜力，可用于水裂解、污染物降解、药物输送、光伏、储能设备、气体传感器、生物传感器、柔性可穿戴设备、发光二极管、电化学燃料电池等多种应用。特别是在忆阻现象方面，C-TiO?纳米结构薄膜展现出独特的电学行为，这使其成为下一代电子设备的理想候选材料。

通过实验研究，科学家们还发现，C-TiO?薄膜的电学特性在不同环境条件下表现出高度的可重复性。在连续进行10次电学测量后，其I-V曲线保持稳定，这表明该材料具有良好的循环稳定性和再现性。这种稳定性对于实际应用中的非易失性存储器和神经形态计算系统至关重要，因为这些系统需要可靠的电学行为和长期的性能维持。

综上所述，这项研究不仅验证了AFS技术在制备具有特定光学和电学特性的C-TiO?纳米复合薄膜方面的有效性，还揭示了碳与TiO?之间的相互作用对材料性能的影响。通过进一步的研究，科学家们可以深入探讨光强度、照射时间等因素对C-TiO?材料电容耦合忆阻效应恢复程度的影响，从而为优化新型电子设备的性能和可靠性提供理论依据和技术支持。