通过化学合成技术制备多壁碳纳米管（MWCNT）-TiO?/聚合物纳米复合材料，提升非易失性电阻式存储器的性能及材料的介电常数

《Inorganic Chemistry Communications》：Enhancement of the performance of non-volatile resistive switching memory and high dielectric constant through chemical synthesis techniques of multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-TiO 2/polymer nanocomposites

基于MWCNT-TiO?/PVA纳米复合材料的非易失性忆阻器，在FTO玻璃基底上表现出超高I ON/I OFF比（10?），5000次循环稳定性及10?秒工作稳定性，介电常数达13,487（20 Hz），温度依赖性研究显示介电性能随温升先增强后下降。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了一种新型的非易失性忆阻器的制备与性能。这种忆阻器采用了一种由多壁碳纳米管（MWCNTs）和二氧化钛（TiO?）组成的纳米复合材料，并将其封装在聚乙烯醇（PVA）聚合物基质中。通过化学溶液工艺制备这种复合材料，并将其沉积在氟掺杂氧化锡（FTO）层玻璃上，研究人员成功构建了具有优异稳定性和长期耐久性的忆阻器。实验结果显示，这种材料在电流-电压（I-V）特性上表现出极高的开关比，约为10?，并且在5000次电压扫描后依然保持稳定。此外，该忆阻器在10?秒的时间内展现出出色的运行稳定性，无需显著的性能下降。

这项研究的背景在于，将半导体纳米结构整合到聚合物基质中，因其具备机械灵活性、低成本的制造、环境友好性、记忆功能以及增强的介电和热稳定性，成为电子器件领域的重要研究方向。这些特性使其在多种应用中展现出巨大潜力，包括混合太阳能电池、场效应晶体管（FETs）、发光二极管（LEDs）、传感器、高介电材料、超级电容器和非易失性存储器等。二氧化钛（TiO?）作为其中一种重要的半导体纳米材料，因其n型半导体特性（带隙约为3.2 eV）以及出色的化学稳定性、生物相容性、催化性、光学和电学性能，广泛应用于光催化、染料敏化太阳能电池、气体传感器、光电探测器和存储设备等领域。

与此同时，基于碳的纳米材料，尤其是多壁碳纳米管（MWCNTs），近年来在电子和能源应用中逐渐崭露头角。MWCNTs因其长宽比大、高导电性和强大的机械强度，被广泛研究和应用。当MWCNTs与半导体纳米颗粒（如氧化锌、硫化镉、硫化镉硒、硫化镉碲、硫化铅和二氧化钛）结合时，其能够作为一维导电骨架，促进电荷传输、抑制电子-空穴复合，并增强电荷存储能力，从而提升太阳能电池、光电探测器、传感器、储能设备和纳米电子器件的性能。基于金属氧化物-聚合物纳米复合材料的研究也表明，这类材料在高介电性能和非易失性电阻开关行为方面表现出色，相较于其纯金属氧化物材料具有更优越的特性。

尽管已有大量关于单一材料系统的电子器件研究，但针对MWCNTs-TiO?在PVA基质中的合成和应用的详细研究仍较为有限。因此，本研究的目的是探索MWCNTs-TiO?/PVA纳米复合材料的合成方法，并评估其在非易失性忆阻器和高介电薄膜中的应用潜力。研究人员采用传统的溶胶-凝胶方法制备了这种复合材料，并通过溶液铸造技术将其沉积在FTO层玻璃上。MWCNTs-TiO?/PVA基质的结构设计使得TiO?纳米颗粒和MWCNTs能够相互作用，从而增强整体的介电性能。同时，MWCNTs形成的导电网络以及TiO?中丰富的缺陷区域共同支持了基于丝状的电阻开关行为，使得该复合材料能够在非易失性存储和高介电应用中表现出色。

实验中，研究人员采用了多种分析手段来评估所制备材料的结构、形态和性能。通过透射电子显微镜（TEM）图像，他们观察到了TiO?纳米颗粒在PVA基质中的分布情况，以及MWCNTs的表面结构。TEM图像显示，TiO?纳米颗粒呈现出近似球形的结构，并且在聚合物基质中均匀分散。这些纳米颗粒的平均直径约为13.19纳米，而MWCNTs的平均外径约为9.97纳米。此外，电子衍射图（SAED）显示了TiO?/PVA、MWCNT/PVA和MWCNT-TiO?/PVA样品的特征同心环，进一步证实了它们的多晶结构和可能的晶相，如金红石相。

除了结构和形态分析，研究人员还通过紫外-可见光谱（UV-Vis）研究了材料的光学特性，并利用原子力显微镜（AFM）分析了复合薄膜的表面形貌。同时，能量色散X射线光谱（EDX）用于确定所合成样品的组成。这些分析手段为理解材料的物理和化学特性提供了重要依据。此外，通过电流-电压源表（I-V source meter）测量了非易失性忆阻器的电阻开关特性，揭示了其在不同电压条件下的表现。研究还利用Keysight Impedance Analyzer E4990A配合真空炉，对薄膜的介电性能和交流电导行为进行了研究，并考察了温度变化对其性能的影响。

在温度依赖性研究中，研究人员发现，随着温度的升高，材料的介电常数（ε’）也相应增加，直到70摄氏度时达到约16,659。然而，当温度超过这一临界点后，由于过高的热激发导致偶极子排列的破坏，材料的介电性能开始下降。这种现象表明，MWCNTs-TiO?/PVA纳米复合材料在一定温度范围内具有良好的介电性能，但其性能也受到温度变化的限制。因此，在设计和应用该材料时，需要考虑到其工作温度的范围，以确保其在不同环境条件下的稳定性。

此外，研究还发现，MWCNTs-TiO?/PVA纳米复合材料的电阻开关特性优于对照样品TiO?/PVA和MWCNT/PVA。在较低的操作电压下，该材料能够实现更高的电流比（I_ON/I_OFF），这为未来低功耗电子器件的开发提供了新的思路。同时，其出色的电流比和长期稳定性表明，该材料在非易失性存储和高介电薄膜应用中具有广阔的前景。

综上所述，本研究通过系统地合成和表征MWCNTs-TiO?/PVA纳米复合材料，成功开发了一种具有卓越性能的非易失性忆阻器。该材料不仅在结构和形态上表现出良好的特性，还在电学和光学性能方面展现出显著的优势。其高介电常数和稳定的电阻开关行为使其在电子器件和能源存储领域具有重要的应用价值。未来，研究人员可以进一步优化材料的合成工艺，探索其在更广泛的应用场景中的潜力，例如柔性电子器件、高性能存储器和高能量密度电容器等。此外，该研究也为开发基于纳米复合材料的新型电子器件提供了理论和技术支持，有助于推动相关领域的科技进步。