㊀２０１８年㊀第７期
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ
２０１８㊀Ｎｏ．７㊀
基金项目：国家自然科学基金项目（６１２０４１２７）；黑龙江省自然科学基金项目（Ｆ２０１３３２）收稿日期：２０１７－０６－１３
基于聚３，４－乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐咸海
宋志章
（齐齐哈尔大学学校办公室，黑龙江齐齐哈尔㊀１６１００６）
㊀㊀摘要：采用聚３，４－乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）作为存储层构建了ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ的三明治结构的忆阻元件㊂利用半导体参数分析仪对该元件的忆阻
特性进行了分析，实验结果表明：该元件具有双稳态阻变特性，并且具有非挥发型Ｆｌａｓｈ存储特性，并展现了良好的数据保持特性和耐久特性㊂在双对数坐标系中分别对低阻态和高阻态的阻变转换机制进行了数据拟合，低阻态载流子传输为欧姆传导机制，高阻态载流子传输为空间电荷限制电流机制㊂
关键词：聚３，４－乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐；忆阻特性；开关态电流比；耐久特性中图分类号：ＴＰ２１１㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０７－０００４－０３
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＲｅｓｉｓｔｉｖｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇＢｅｈａｖｉｏｒＢａｓｅｄｏｎＰＥＤＯＴ：ＰＳＳＦｉｌｍ
ＳＯＮＧＺｈｉ⁃ｚｈａｎｇ
（ＱｉｑｉｈａｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｃｈｏｏｌＯｆｆｉｃｅ，Ｑｉｑｉｈａｒ１６１００６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＲｅｓｉｓｔｉｖｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｔｏｅｘｐｌｏｒｅｉｔ
ｓｒｅｓｉｓｔｉｖｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅｒｅｓｉｓｔｉｖｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｐａｒａｍｅｔｅｒａｎａｌｙｚｅｒ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／ＡｌｄｅｖｉｃｅｓｈａｖｅＦｌａｓｈｓｔｏｒａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄｇｏｏｄｒｅｔｅｎｔｉｏｎａｎｄｅｎｄｕｒａｎｃｅｐｒｏｐｅｒｔｙ．ＴｈｅＩ－Ｖｃｕｒｖｅｓｆｉｔ⁃ｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｅｄｏｕｂｌｅｌｏｇａｒｉｔｈｍｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｉｓｔｉｖｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｔｈｅｔｗｏｓｔａｔｅｓａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ：ｔｈｅｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｔａｔｅｉｓｄｕｅｔｏＯｈｍｉｃｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｈｉｇｈｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｔａｔｅｉｓｄｕｅｔｏｓｐａｃｅ⁃ｃｈａｒｇｅｌｉｍｉｔｅｄｃｕｒｒｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ；ｒｅｓｉｓｔｉｖｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒ；ＯＮ／ＯＦＦｓｔａｔｅｃｕｒｒｅｎｔｒａｔｉｏ；ｅｎｄｕｒａｎｃｅｐｒｏｐｅｒｔｙ
０㊀引言
近年来，有机电子设备由于其成本低廉㊁良好的机械弹性和便于喷涂制造的能力受到了研究学者们的广泛关注㊂这其中大量的报道集中研究的是场效应晶体管［１－４］㊁有机发光二极管［５］㊁存储
器［６］㊁太阳能电池［７］以及传感器［８］㊂
高分子材料在忆阻存储特性方面的性质得到了
广泛的报道［９－１５］㊂聚３，４－乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）是一种导电性能良好的聚合物材料，在整个可见光波段具有较高的光学透明度，在常温下具有较强的化学稳定性㊂它由ＰＥＤＯＴ和ＰＳＳ２种物质构成㊂ＰＥＤＯＴ是ＥＤＯＴ（３，４－乙撑二氧噻吩单体）的聚合物，ＰＳＳ是聚苯乙烯磺酸盐㊂这两种物质在一起显著提高了聚３，４－乙撑二氧噻吩的溶解性㊂ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ在太阳能电池㊁晶体管以及有机发光二极
管等领域被广泛用作空穴传输材料［１６－１７］㊂本文以ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜作为活性层，对ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ三明治结构的Ｉ－Ｖ特性进行了测量，分析了该元件的阻 变特性，对高阻态和低阻态的导电机制进行了拟合㊂１㊀忆阻元件的制作与测量
ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ水溶液浓度为３．１％，分子结构如图１所示㊂忆阻元件的结构为ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ㊂ＩＴＯ／玻璃基底依次在去离子水㊁丙酮㊁异丙醇中超声清洗１５ｍｉｎ㊂将聚３，４－乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐水溶液用磁力搅拌器搅拌１０ｈ㊂之后将聚３，４－乙撑二氧噻：聚苯乙烯磺酸盐水溶液旋转涂膜在ＩＴＯ／玻璃基底上，旋转涂膜速度为５００ｒ／ｍｉ
ｎ，持续１８ｓ，之后为６０００ｒ／ｍｉｎ，持续４５ｓ㊂将旋转涂膜好的ＩＴＯ／玻璃片放在６０ħ㊁８００Ｐａ的真空烘干箱里进行烘干以除去残留的溶剂㊂
利用扫描电子显微镜ＨｉｔａｃｈｉＳ３４００对薄膜的厚度进行测量，最后将掩膜盖在有机薄膜上，将铝电极热蒸发沉积在ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜上，顶部铝电极直径为３００μｍ，ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ元件结构示意图如图
㊀㊀
㊀
㊀
㊀第７期宋志章：基于聚３，４－乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐薄膜的忆阻元件特性分析
５㊀㊀
２所示，利用Ｋｅｉｔｈｌｅｙ４２００半导体参数测试仪在室温环境下对ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ元件的电学性能进行测试，测试时Ｋｅｉｔｈｌｅｙ４２００半导体参数测试仪与探针台连接㊂钨探针直径为１０μｍ，探针尖（材料为镍）的直径小于０．１μｍ㊂在电学性能测试中，底部电极（ＩＴＯ）接地，电压扫描步长为０．０５Ｖ，限制电流设置为０．１
Ａ㊂
图１㊀ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ分子结构
图２㊀ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ元件
结构示意图
２㊀结果和讨论２．１㊀材料表征
在热蒸发率电极之前对ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜的横截面利用扫描电子显微镜进行了观测，如图３所示㊂从下到上的顺序依次是：玻璃㊁ＩＴＯ薄膜和ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜㊂由图３可以判断ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜的厚度约为８０ｎｍ㊂图４为ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ的透射电子显微镜图㊂
图３㊀ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ
薄膜横截面扫描电子显微镜图
图４㊀ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ透射电子显微镜图
２．２㊀基于ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜的忆阻特性
基于ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜的忆阻特性描述如下：电压扫描序列为从０Ｖ扫描到－６Ｖ，再从０Ｖ扫描到－６Ｖ，再从０Ｖ扫描到＋６Ｖ，再从０Ｖ扫描到＋６Ｖ㊂当电压第一次从０Ｖ扫描到－６Ｖ时，电流在－０．９Ｖ附近突然
增大，说明该元件由高阻态（ＨＲＳ）转换为低阻态（ＬＲＳ），这是 写 的操作［１８］，在随后的０ ６Ｖ的第二个扫描过程中，元件保持在低阻态，在０ ０．９Ｖ间明显的电双稳态使得介于０ －０．９Ｖ间的电压可以读元件的高阻态（写之前）和低阻态的信号（写之后）㊂在第三次电压扫描（从０Ｖ扫描到＋６Ｖ）时，电流在３．７５Ｖ附近突然减小，说明该元件由低阻态转换为高阻态，这是 擦 的操作［１８］，在第四次电压扫描（从０Ｖ扫描到＋６Ｖ）过程中，保持在高阻态㊂说明该元件具有非挥发型的Ｆｌａｓｈ存储特性［１９］㊂
图５为ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ元件在常压下对操
作时间的响应，在１．５Ｖ常压测试下，ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ忆阻元件的高阻态和低阻态在４ˑ１０４ｓ测试期间保持稳定，高阻态和低阻态都没有发生明显的衰减㊂开关态电流比在１．５Ｖ保持约为１０４㊂
图５㊀ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ元件在常压下对操作时间的响应
ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ忆阻元件的脉冲激励效应如
图６所示，开关态电流比在１Ｖ读脉冲（周期为２μｓ，持续时间为１μｓ）下也能稳定循环１．５ˑ１０４次，说明了基
于ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜的忆阻特性具有良好的稳定性
㊂
图６㊀ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ元件的脉冲激励效应
为研究基于ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ薄膜忆阻元件的导电机制，在双对数坐标系中对开态和关态的载流子传输机制进行了拟合，如图７所示㊂对于关态，坐标系中Ｉ－Ｖ
㊀㊀
临床试验注册㊀
㊀
㊀６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｊｕｌ．２０１８㊀
曲线的斜率代表着Ｉ－Ｖ关系中电压的幂指数㊂在低电压区域，曲线的斜率为１．０６，随着电压不断增加，曲线的斜率增加为２．２６，直至高电压区域曲线的斜率增加到４．７８，这很好地遵从了空间电荷限制电流（ｓｐａｃｅ⁃ｃｈａｒｇｅｌｉｍｉｔｅｄｃｕｒｒｅｎｔ，ＳＣＬＣ）模型传输㊂对于开态，坐标系中横坐标为Ｖ，纵坐标为Ｉ，曲线的斜率为０．９８，载
流子服从欧姆导电传输模型，关态的Ｉ－Ｖ指数规律说明在电压扫描的原始阶段存储设备经历了一个受限的载流子注入和传输过程
㊂
图７㊀元件Ｉ－Ｖ曲线的斜率线性拟合
因此，可以推断，当外加电压超过阈值电压后，将会产生大量的载流子，该载流子将会注入到ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ存储层中，这个电转换过程将会以极快的速度产生丝状路径将元件激发到开态，开态Ｉ－Ｖ曲线基本的线性关系说明低阻态很好地符合欧姆导电机制，意味着ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ层中的载流子克服了空间电荷限制电流（ＳＣＬＣ）的势垒，最终服从欧姆导电的传输机制，在随后的正向电压扫描过程中，元件起初始终保持在高导态，当越来越多的电流由导电路径通过时，将会不断地产生焦耳热，最终当产生的热量超过导电路径的承受能力时，导电路径爆破使得元件从开态转换为关态㊂３㊀结束语
利用旋转涂膜法制备了均一的ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ纳米薄膜，并对ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ元件的忆阻特性进行了分析㊂对ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ元件的Ｉ－Ｖ特性进行了测量，结果表明ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｌ忆阻元件具有非挥发的Ｆｌａｓｈ存储特性，电流开关比可达１０４，且具有稳定的保持特性和耐久特性㊂在双对数坐标系中分别对低阻态和高阻态的载流子传输机制进行了拟合，低阻态为欧姆传导机制，高阻态为空间电荷限制电流传输机制㊂
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ｍｅｍｏｒｙｄｅｖｉｃｅｓｕｓｉｎｇａｌｕｍｉｎｕｍ／ｐｏｌｙ（９–ｖｉｎｙｌｃａｒｂａｚ⁃ｏｌｅ）／ａｌｕｍｉｎｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．，
２０１４，１６：１３０７４－１３０７７．
（下转第５３页）
㊀㊀
㊀
㊀
㊀第７期潘晗等：基于ＬａｂＶＩＥＷ的风粉浓度测量系统
５３㊀
㊀
图６ 称重数据
的实时采集㊁处理㊁分析和保存，同时可以保证测量系统的稳定性和可靠性㊂根据实验结果，通过本测量系统取得很好的效果，可以在其他浓度测量系统中进一步应用推广㊂
本文的实验条件为固体颗粒的自由落体运动，没有采取气力输送方式，高速气力输送系统可能会给传
感器带来一定的信号干扰，加大信号处理难度，还需要进一步的研究㊂
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［１３］㊀ＭＣＣＬＥＭＥＮＴＳＤＪ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｅｍｕｌｓｉｏｎｓ
ａｎｄｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ［Ｊ］．Ａｄｖ．ＣｏｌｌｏｉｄＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｃｉ，１９９１，３７（１
盛大退市
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［１４］㊀ＨＯＬＭＥＳＡＫ，ＣＨＡＬＬＩＳＲＥ，ＷＥＤＬＯＣＫＤＪ．Ａｗｉｄｅ
ｂａｎｄｗｉｄｔｈｓｔｕｄｙｏｆｕｌｔｒａｓｏｕｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｉｎｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｏｒｙｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＣｏｌｌｏｉｄＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｃｉ．１９９３，１５６：２６１
－２６８．
［１５］㊀ＣＨＡＬＬＩＳＲＥ，ＰＯＶＥＹＭＪ，ＭＡＴＨＥＭＬ，ｅｔａｌ．Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇｃｏｌｌｏｉｄａｌｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓ［Ｊ］．ＲｅｐＰｒｏｇＰｈｙｓ，２００５，６８：１５４１－１６３７．
作者简介：潘晗（１９９２ ），硕士研究生，主要研究方向为热力系
统测控技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：２２０１５０３７６＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：王培红（１９５８ ），教授，主要研究方向为热力系统性
能分析与优化㊁热力设备状态检测与诊断㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｐｈｗａｎｇ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
（上接第６页）
［１６］㊀ＴＡＮＧＦ－Ｃ，ＣＨＡＮＧＪ，ＷＵＦ－Ｃ，ｅｔａｌ．Ａｌｉｇｎｍｅｎｔｏｆｐｏｌｙ
（３，４－ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）ｐｏｌｙｍｅｒｃｈａｉｎｓｉｎ
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ｃｅｌｌｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈｌａｒｇｅ⁃ａｒｅａＡｇｎａｎｏｔｒｉａｎｇｌｅａｒｒａｙｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃ，２０１２，１１６，１４８２０．
［１８］㊀ＧＵＰＹ，ＺＨＯＵＦ，ＧＡＯＪＫ，ｅｔａｌ．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｃｈａｒａｃｔｅ⁃ｒｉｚａ⁃
ｔｉｏｎ，ａｎｄｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅｔｅｒｎａｒｙｍｅｍｏｒｙｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｌａｒｇｅｒ
ｈｅｔｅｒｏａｃｅｎｅｗｉｔｈｎｉｎｅｌｉｎｅａｒｌｙｆｕｓｅｄｒｉｎｇｓａｎｄｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅｔｅｒｏａｔｏｍｓ［Ｊ］．Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２０１３，１３５：１４０８６
－１４０８９．
［１９］㊀ＷＵＪＨ，ＹＥＮＨＪ，ＨＵＹＣ，ｅｔａｌ．Ｓｉｄｅ⁃ｃｈａｉｎａｎｄｌｉｎｋａｇｅ⁃
ｍｅｄｉａｔｅｄｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｎｔｈｒａｑｕｉｎｏｎｅｍｏｉｅｔｉｅｓｏｎａｍｂｉｐｏｌａｒｐｏｌｙ（ｔｒｉｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｅ）－ｂａｓｅｄｖｏｌａｔｉｌｅｐｏｌｙｍｅｒｉｃｍｅｍｏｒｙｄｅ⁃ｖｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，２０１４，５０：４９１５－４９１７．作者简介：宋志章（１９７７ ），副教授，博士研究生，研究方向为
教育管理与计算机应用㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｏｎｇｚｈｉｚｈａｎｇ＠１２６．ｃｏｍ
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