基于 PMMA 聚合物基质的 ZnO-C60核壳量子点纳米复合材料：有机双稳态存储器件的创新突破

为解决传统量子点在存储应用中的局限，研究人员开展有机双稳态存储器件（OBMDs）的研究。他们利用 ZnO-C60核壳量子点嵌入 PMMA 聚合物基质制备器件，其性能优异。这为先进非易失性存储技术提供新方向。

　　在科技飞速发展的今天，电子产品对存储技术的要求越来越高。非易失性存储技术作为现代电子领域的关键研究方向，备受关注。它能满足下一代电子和光电子应用对高效、高性能及可持续计算系统的需求，可在低功耗和高温条件下运行，提升设备效率与可靠性。然而，传统量子点（QDs）在用于存储器件时存在诸多问题。以 ZnO 量子点（ZnO QDs）为例，虽然它具有良好的光电性能、化学稳定性，与多种聚合物基质兼容性也不错，但仅使用其核心部分时，量子限域存在固有局限，会影响电荷捕获能力、效率和器件整体稳定性。为了解决这些问题，推动非易失性存储技术的发展，研究人员开展了相关研究。虽然文中未提及具体研究机构，但他们围绕有机双稳态存储器件（OBMDs）展开探索，研究成果发表在《Carbon Trends》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过自旋涂层技术将 ZnO-C₆₀核壳量子点嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物基质中，制备出 OBMDs。利用透射电子显微镜（TEM）对材料结构进行表征，确定量子点的分散情况和核壳结构完整性。借助 Keithley 4200A - SCS 参数分析仪和 MST4000A 探针台对器件的电学性能进行测试。

下面来看具体的研究结果。

• 器件设计与结构分析：基于 PMMA 聚合物基质和 ZnO-C₆₀核壳量子点设计的 OBMDs，具有独特的结构。TEM 分析显示，ZnO-C₆₀量子点在 PMMA 基质中均匀分散，平均直径约 10nm，核壳结构清晰，其（002）晶面间距为 0.26nm，保证了电荷捕获和传输机制的有效运行。
• 电学性能表征：通过电流 - 电压（I-V）测量，发现器件的 I-V 曲线有明显滞后现象，表明存在双稳态记忆行为。正向偏压下，约 0.9V 时器件从低电流（OFF）态转变为高电流（ON）态，这是因为电子注入并捕获在 ZnO-C₆₀量子点中，形成导电细丝。反向偏压下，约 - 2.7V 时从 ON 态转变回 OFF 态。最大 ON/OFF 电流比在读取电压为 - 1.5V 时可达 7.46×103，便于可靠区分记忆状态。
• 耐久性和保持特性：在耐久性测试中，器件在 1.5×10?次读写循环中，保持约 6.5×103 的稳定 ON/OFF 电流比。保持测试中，在环境条件下监测 1.2×10?秒，ON/OFF 电流比稳定在约 6.8×103，预测十年后仍能保持约 4.5×10?的比例，适合长期记忆存储应用。
• 电荷传输机制分析：研究人员用热电子发射（TE）、福勒 - 诺德海姆（FN）隧穿和空间电荷限制电流（SCLC）传导三种理论模型分析 I-V 数据。低电压（<0.3V）时，TE 机制占主导，确保低电流泄漏，维持 OFF 态。0.3 - 0.68V 时，转变为 SCLC 机制，注入载流子密度超过平衡密度，形成空间电荷。超过 0.68V 进入陷阱控制区域，量子点中的陷阱捕获载流子，影响开关行为。高于 0.9V 时，FN 隧穿机制起作用，电子隧穿 PMMA 势垒注入量子点，稳定 ON 态。在负电压区域，低电压时为欧姆传导，电压增加后，FN 隧穿诱导电荷去捕获成为主导机制，实现从 ON 态到 OFF 态的转变。
• 操作机制和能带图：能带图展示了写入和擦除操作的电子过程。无外部偏压时，PMMA 层阻止载流子注入，器件处于 OFF 态。写入操作时，正电压使电子通过 FN 隧穿注入量子点，形成导电细丝，稳定 ON 态。擦除过程中，负电压使捕获的电荷通过 FN 隧穿释放，破坏导电细丝，恢复 OFF 态。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功制备并表征了基于 ZnO-C₆₀核壳量子点嵌入 PMMA 聚合物基质的非易失性 OBMDs。这种器件制备方法简单且可扩展，适合柔性电子平台。C₆₀作为壳材料解决了量子点系统的一些问题，如表面缺陷钝化和电荷复合。器件在电学性能、耐久性和保持特性方面表现出色，明确了电荷传输机制，FN 隧穿在写入和擦除操作中起关键作用。这一研究成果为先进非易失性存储技术提供了新的材料体系和思路，推动了相关领域的发展，有望应用于对能源效率和长期可靠性要求较高的领域。同时，也为后续优化研究，如探索替代聚合物基质和电极配置，奠定了基础，对电子和光电子技术的发展具有重要意义。