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1、精选优质文档-倾情为你奉上本 科 生 毕 业 设 计论文题目：VO2忆阻存储器设计姓名：蒋经雷学号：1020630105班级：10206301班年级：2010级专业：电子科学与技术学院：机械与电子工程学院指导教师：邹继军 （教授）完成时间：20014年 5 月27日专心-专注-专业作 者 声 明本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计（论文）的研究做出
2、重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。特此声明。毕业设计（论文）作者（签字）： 签字日期： 年 月 日 本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。 学位论文指导教师签名： 年 月 日VO2忆阻存储器设计蒋经雷VO2 memristor memory designJingLei Jiang2014年 5月27日摘 要 如今，随着VO2基础应用的研究在国内外引发的热潮，VO2无疑成为了科学家眼中的宠儿。VO
3、2，是钒的众多氧化物中的一种，但是它又是特殊的一种。VO2是一种中间价态化合物，在高温下性能不稳定，具有特殊相变性能。随着温度的升高或者降低，该晶型都会发生在半导体与金属态之间的可逆变化。利用它的特性，我们可以制造出许多新式的应用，VO2忆阻存储器便是其中一种。我们知道，VO2材料的电阻会随着温度升高而迅速降低，而忆阻存储器便是依据这个理念设计而成的。我们通过电阻的变化来写入和储存信息，同时通过一定的测量手段和A/D转换来读取信息。这种忆阻器和传统的忆阻方式有一些不同，与此同时它的接近室温也为研究开辟了一个新的方向。关键词： 特殊相变； 接近室温； 忆阻器ABSTRACT Now, with
4、the boom in research VO2-based applications at home and abroad caused, VO2 undoubtedly become the darling of the eyes of scientists. VO2, scientific name vanadium dioxide, vanadium oxide is one of many in one, but it is also a special kind. Parity is a state VO2 compound is unstable at high temperat
5、ure performance, a special phase-change properties. As the temperature increases or decreases, the crystalline form irreversible changes occur between the semiconductor and the metal state. Advantage of its features, we can create many new applications, VO2 memristor memory is one of them. We know t
6、hat the resistance of the material VO2 increases as the temperature decreases rapidly while memristor memory is designed based on the concept of. We store and to write information via the change in resistance, while by means of a measurement and A / D converter to read the information. This memristo
7、r memristor traditional way there are some differences, at the same time it is close to room temperature, but also for the study opens up a new direction.Keywords: Special phase transition; near room temperature; memristor目 录 第一章 绪 论1.1研究的背景和意义 1958年，科学家FJMorin在贝尔实验室发现钒和钛的氧化物具有一种特殊的现象：随着温度的降低，在一定的温区
8、内材料会发生从金属性质到非金属性质的突然转变，同时还伴随着晶体向对称程度较低的结构转化。接着，其它一些过渡元素金属如钨、铌、铁、镍、铬的化合物也被相继发现具有这种性质1。这些化合物包括：Ti2O3，Ti3O5，Ti5O9，Fe203，Fe304，V509，FeSi2，CrS，NbO2，NiS等。其中最引人注目的是一批低价钒氧化物，尤其是VO2。VO2在低温半导体和高温金属态之间的转换是一种可逆的相变。当升温达到相变点时，即在68左右，这种材料的结构包括性能都会在纳秒级的时间范围内发生突变，VO2晶体会由单斜转变为四方，并且它的电阻可突变，红外波段光谱特性也由高透射转变为高反射。因而可以被广泛应
9、用于热开关，温度传感器，信息存储以及大面积玻璃幕墙等领域。其中薄膜变色开关器件是最主要的研究方向，但是，近年来，由于微电子技术以及大规模集成电路的发展，对设备的高精度和室温存储二者的要求越来越高。VO2材料因其接近室温相变特性也越来越受到关注，本文就是基于VO2相变机理实现忆阻存储的忆阻器。话说回来，之前已经提到VO2受到研究者的青睐，我们不妨一同列出钒的其他氧化物的类似性质，通过相似性的比较得直观的理解。钒氧化物VOVO2 V2O3V2O5V3O5相变温度（K）110340155531 420我们知道开尔文与摄氏温度的换算关系是：摄氏温度=开尔文温度-273.15，不难得知， 其中，只有VO
10、2的相变温度最接近室温，其他的都相去甚远。最接近室温就意味着它最容易以较小的代价达到研究出实用可行的方案。 1.2 VO2的相变特性和机理1.2.1 VO2材料 VO2，学名二氧化钒，是一种具有特殊相变特性的氧化物。它的特殊在于它的相变特性是可逆的，类似于磁滞回线，此外，它的特殊更在于它的相变点接近室温，在68（340K）附近。在其发生相变时，它的电学特性会发生一个较大的突变。基于以上原因，VO2材料具有广阔的前景。1.2.2 VO2的相变特性和机理在前文的说明与叙述中，我们已经知道了VO2材料的电学特性在相变前后会发生一个较大的突变。比如它的电阻率，的变化幅值可以高达10-10倍。而它的光学
11、特性诸如反射率R、折射率n、以及入射光的透过率T等也会发生明显的变化。尤其在红外波段，这种现象就会更加的显著了。一般的 ，我们认为VO2的相变温度在68（340K）附近。特别的，它的从低温加热到高温与其从高温冷却到低温的相变温度点并非是相同的。通常情况下会存在一定的温度差，大约在2-6。曾经有人为此做过一些具体的实验，证实了二氧化钒的电阻率和光学特性参数在升高温度过程和降低温度过程的曲线实际上并非是重合的，而是呈现出滞回线状，类似于磁性材料的磁滞回线。如下图所示，图1-1为VO2电阻率随温度的变化情况，图1-2 则为红外光透过率随着温度的变化情况（入射光的频率f固定不变）。 图1-1 VO2电
12、阻与温度的关系图1-2 VO2透过率和电阻的关系 当给VO2 材料加热时，温度升高到63附近以后，电阻值会随温度升高而迅速减小。反之，当温度升高到76之后，其电阻随温度升高而下降的速度又会开始减慢。此时若反向降温，电阻又会逐渐增大，当温度低于72时，电阻值会随着温度的下降而导致上升的速度加快，当温度一直下降，降低到低于56时，电阻的增加速度又会开始变慢。当温度进一步降低时，电阻将会恢复到原来一开始低温状态时的值。而透过率也有着类似的滞回特性。 VO2 是目前已知的相变材料中相变温度(Tc)较为接近室温的材料，而且它的相变温度可以通过掺杂别的元素离子进行调整，掺入高价态的离子(如Nb5+等)可降
13、低其温度，掺入低价态的离子(如Al3+等)可以提高它的相变温度，它的相变温度点可以按照实际情况需要进行适当的调整。另外VO2 相变过程是在纳秒时间内完成，可以瞬间重复可逆的变化，他有着很高的空间分解能力，一般不会导致宏观结构上的畸变和裂痕。此外，VO2薄膜还具有热致变色和光致变色这两种特性，在相变前后，薄膜的色彩会有较大的变化。另外。不同组分的VO2多晶薄膜的外表、颜色也不完全相同，因各种外界条件诸如膜厚的不同而异，常温下一般会呈现出深褐、墨绿等颜色。 当温度升高到超过68时，它是四方金红石结构，表示为图1-3，如图1-3所示。当温度降低到68以下时，它则具有单斜结构，表示为图1-4，其晶体结
14、构如图1-4所示。 图1-3 四方金红石结构成键情况图1-4 单斜结构键长 由图1-3和图1-4可以看出，高温形态下的四方金红石结构具有相当高的对称性，、V4+离子占据了中心位置，而O2-离子则包围了V4+离子组成了一个八面体，从而形成密排六方结构。沿着金红石结构Cr轴钒原子组成等距(dv-v=286nm)长链。低温形态中，它的高温晶格受到一定的扭曲，沿着原Cr轴V-V键之间不再等距，而是或长或短的距离，形成了一种疏密结构，从而产生了大概1的非各向同性体积变化。由图1-3和图1-4右边的110截面图能够很直观明了的看出10两种结构之间的内在联系。由此可以看出，单斜结构就是四方结构通过略微扭曲而
15、得到的结果。 根据这个，我们可以判断VO2在68时的相变是一级相变。在发生相变时，结构上仅仅只要原子发生了很小的移动，就能很容易地达到结构变化的结果。在VO2相变的同时，也同样发生着能带结构的变化。四方结构V02的能带特征是：d带与*带部分重叠，部分能带会被电子填充，能带不是简并的。尽管在晶体势场的正交量作用下，能使能带产生分裂。但是话说回来，由于d带与*带很宽，故仍有部分重叠，费米能级就落在d带与*带之间。当V02由金属相相变到半导体相时，VO2的能带结构将会发生显著的变化：(a) *带上升会超过费米能级，d带呈现出半充满；(b)d带则一分为二，如图5所示。能带结构这种变化是由于V02晶体中
16、的钒离子都向八面体的边缘移动， 使*带相对于d带上升。又因为*带电子的迁移率比d带电子的大，电子会全部进入d带；其次，由于钒离子沿CR轴方向不是平行配对而使之成键的，由顺电态转变为反铁电态时，晶胞的CR轴会加长一倍，使它的对称性发生改变，而d带则一分为二，费米能级下降。 图1-5 V02从四方结构(a)到单斜结构(b)时能带结构的变化1.3课题的研究内容 本课题的研究在于学习并理解忆阻器的工作原理和相变特性。利用它的电学特性将VO2材料设计成忆阻存储器。结合单片机的控制和A/D数模转换，设计出合适可行的理论设计。本次设计包括硬件设计和软件设计，重点在软件设计。如何设计A/D转换和单片机的CPU
17、控制是本次课题的难点和重点。1.4课题的目的和意义本次课题的目的是设计出一个高精度恒温器控制温度和单片机定时控制脉冲的忆阻存储器。忆阻存储器，一个记忆芯片。随着微电子技术和大规模集成电路的发展，不可否认，我们进入了一个数码时代。小到日常生活实用的手机电视，大到航空航天无处不使用到存储器。技术在发展，理所当然地我们对设备的存储精度和速度也有了更高的要求。室温下工作更是大势所致，本次的课题正好适应这个方向的研究。第二章 VO2忆阻存储器读写设计在之前的论述中我们已经充分讨论并研究了VO2的忆阻特性，这里我们就不再重复说明。接下来我们讨论VO2忆阻器工作原理，如何去实现它的读写？实现这一功能又究竟需
18、要哪些部件？2.1 忆阻器工作原理在讨论过VO2的作用后，接着我们研究一下忆阻器，而本次的课题就是VO2忆阻器。忆阻器，其实就是表现为电阻和内存的无源电路元件。最近的实验研究引发了对这一概念的兴趣和可能的应用程序。实验展示了二氧化钒薄膜的忆阻响应，这种行为是由绝缘体-金属的相变驱动该氧化物的典型。研究结果表明对基于实先系统相变现象的潜力。忆阻器被假定为在1971年基于欧姆定律的积分变化的观察对称性中缺少的第四电路元件。虽然几十年来，这种装置一直保持着纯理论研究。但在最近的一个实验演示了一个实用的系统，其显示忆阻的行为重新点燃了对忆阻器的兴趣。人们更加大胆的预测：这样的设备可以在开发神经形态电路
19、，自旋电子学，超高密度信息存储以及其他应用中发挥重要作用。忆阻器的关键属性在于一个不依赖所施加电压的瞬时值的一个双端器件电阻。从而改变在流动系统中电荷为动力的历史。忆阻器充当“电阻与记忆”，正如它的名字。他们一般被归类于一般的存储设备。命名为忆阻系统中的电阻系统可能依赖于其他状态变量。如温度，结构特性等。这种记忆电阻使电路的功能不可能与其他三个无源电路元件（电阻，电容，电感）任意组合，因此，具有重大的实用价值。有实验证明了VO2薄膜忆阻行为。VO2被证明是一种多用途的材料，表现出许多可开发利用的特性。让VO2既有趣又有益的是我们上文提到的相变温度接近室温，并通过施加电流，电场和光激发来控制这个
20、过渡的能力。如VO2通用IMT纳米级金属区域从绝缘主机出现在数量和大小增加，以形成渗流过度。我们观察到VO2忆阻行为直接源于该IMT相变，我们将在下文详细讨论。VO2薄膜在别处描述的蓝宝石衬底沉积用溶胶-凝胶技术。这种技术已被证明产生的VO2薄膜有多达10级的跨越IMT电导率变动的幅度。电引线所用银环氧树脂附着到VO2薄膜和器件安装到无热状态，我们的装置示意图如下图。图2-1 VO2忆阻行为曲线为了证明VO2忆阻行为，我们首先设置我们的设备相变的操作温度（340K）。这使器件体系中的电阻率是温度的高迟滞函数（见下图2-2）。图2-2 电阻随温度的变化关系曲线施加一个斜坡电压脉冲，我们通过设备监
21、测电流。在图2-2（b）有三个这样的电流电压曲线。每个脉冲为50V/5S。曲线上的箭头表示电压随时间上升及至回落的方向。观察这些I-V曲线，我们看到忆阻器的几个特点。首先I-V曲线是非线性的，电压高于一定的阈值水平（约20V）。这说明了在任何忆阻系统被定义为非欧姆行为。所有图2-2（b）I-V的轨迹图被锚定在原点（I=0，V=0）。这表明我们的设备不存储电容或电感的能量。这样的I-V特性符合了忆阻系统的基本要求。其次，I-V曲线是滞回线各做一个循环，而不是追溯其路径的增加和减少电压。目前在VO2 IMT的滞后包括忆阻器中的存储器方面。即使当使施加电压被设定到0一段时间，随后的斜坡脉冲之间的这种
22、存储可以持续。如图2-2（b）所示，每一个脉冲的离开都会有一个后续脉冲斜率的上升。在一个理想的忆阻器中，这个内存会无限期地持续下去。虽然到目前为止，所有的系统表现出的存储时间有限。若我们的设备会显示长期记忆的持续时间，测试将不止是几个小时的时间。在我们的设备，我们观察到实验-I,-V和+I,+V忆阻行为都是相同的。这表明忆阻是一个关于电流的偶函数，这和TiO2横梁设备有很大的不同。其特征在于扭转电压极性反转改变R的电阻率。虽然这两种行为有很大的不同，但是，他们两者的忆阻现象在适用范围内，写成的遵循关系式是Vm（t）=R（x,I,t）I(t)。其中Vm是整个系统的偏置，X是一组状态变量。该函数的
23、形式未明确确定，如果它是电流的偶函数，在我的设备中，X永远是正，始终和R具有相同的符号。在一般情况下，函数f（x,I,t）描述了状态变量X使存储器忆阻的原理。我们观察到的忆阻效应只在一个温度范围内与IMT相关。这表明忆阻是从根本上涉及到功率消耗。这些观察使我们得出结论：我们的设备最好的形容是偶函数电流控制的忆阻系统。 要注意的是，与总系统体积热容量相比，能量输入到该设备可忽略这一点是重要的。这意味着整体温度是不变的，通过温度检测可以证实。我们的VO2薄膜是在相同温度下，在每个脉冲之前和之后，其从改变他们的电阻的温度来从更普遍的材料区分操作。本装置的操作和IMT现象的渗流性质是密切联系在一起的。
24、外加电压促进新金属水坑在绝缘VO2主机的形成（由于瞬时局部加热）。当电压降到0时，薄膜迅速热化回其原来的温度。但新的低电阻状态持续：迟滞过渡的结果，图2-2有助于说明这一点。可见R的不同路径分别用于加热和冷却过程。在VO2里临时升温将会导致电阻长久的改变。因此，存储在我们的相变忆阻器信息，包括在VO2薄膜的内部配制电子（和结构）不同地区的纳米尺度空间格局。为了进一步说明我们的VO2装置忆阻特性，可以利用短电压脉冲序列，同时，监测器件的电阻。图2-2（b）显示此时为50V/S,的脉冲序列，脉冲之间间隔20s。我们观察到，每一个脉冲触发的膜的电阻率被锁定的变化。这个闩锁被发现是非常稳定的。我们的设
25、置是小位移超过保持时间半个小时，可以很容易改善了热漂移入账。电阻率步调的幅度可以通过调节施加的脉冲的幅度和持续时间而变化。重复的阻力步骤（R0-R1）/R0=0.5%可以实现我们的设置。其中R0和R1分别是预先和脉冲后电阻。这些小步骤结合横跨VO2 IMT非常大的范围访问的电阻值。可能会产生超过2的10次方种可选值，在一个典型的VO2薄膜里。最后，我们注意到，不同的忆阻系统很可能通过不同的物理机制来保存信息。例如，在二氧化钛最近实施忆阻的漂流氧空位和物理水晶扩张方式保留信息。然而，另一种机制可能更适合一些应用。我们已经证明在IMT的材料中的忆阻行为。这表明忆阻可能存在许多类似的相变系统。尤其是
26、，在相变点附近电子的相分离现象已在多种复杂的氧化物，包括巨型磁阻锰氧化物的观察中发现。对呼吁VO2忆阻应用的根源都来于导电率变化的幅度和近或在室温下操作。两个相变阈值温度和迟滞区域的宽度可以通过薄膜生长和纳米图案被容易地调节。此外，VO2是多种非热刺激，包括静态电场和光激发，从而提供了忆阻光电的另一个维度的敏感。最后，在VO2切换可以发生在亚皮秒级。忆阻应用，例如学习电路，信息存储和自适应网络似乎准备打开电子产品的范式，这个演示的相变驱动的忆阻扩大范围材料，可能促进这一革命。2.2 设计原理 从图2-2可以看出，图中的电阻随着温度逐渐下降。而我们的方案便是基于这个原理。由于实验条件下需要考虑更
27、多的影响因素，而本文只是论述和设计方案的可行性。故此我们假定，在理想状态下，且温度在恒温器的作用下保持一个合适的相变温度不变。电阻的阻值随着电压脉冲的作用而下降，从而通过电阻的变化来写入信息。由于，给电阻一个瞬时电压脉冲，会导致电流瞬时增大，发热使处在相变点附近的电阻温度急剧升高，电阻因此而急剧减小。但是，因为我们给的是瞬时电压脉冲，很快就会消失，温度也会回落至相变点附近，但是，我们知道电阻是一个固有属性，不会随着电压回落而变化。因此，通过电阻的阻值变化从而写入了信息。至于读取，我们预先的测出在初始条件下电阻的阻值，并把它记录下来。然后在其他条件都准备充分的情况下给一个电压脉冲，观察并记录下电
28、阻变化后的阻值。而他们之间的差值即是电阻的递减差值。为了尽量的避免误差，我们还可以多测几次，求得一个均值。最后，我们测得给完所有脉冲后的电阻阻值，然后把它与我们理论计算的阻值进行比对，形成相互印证。得出结果是否正确。2.3 硬件设计2.3.1电路原理框图恒温器1A/D转换测量电路忆阻电路开关CPU150V电压脉冲图2-3 电路原理框图2.3.2设计综述数据传输到CPU显示A/D转换信号放大信号采集VO2忆阻器图2-4 忆阻器总体设计方案 （1）DAC0832，是美国半导体公司生产的具有两个输入数据寄存器的8位D/A转换器，可以直接与单片机相连接。分辨率为8位，电流输出型，稳定时间为1us，可单
29、/双缓冲输入或直接数字输入；单一电源供电（+5V+15V），低功耗为20mV。优点是：价格低，接口简单，易于控制。此外，由于DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。 （2）LM324，此系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 （3）AT89C51，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Me
30、mory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，广泛用于工业，教育等方方面面。2.3.3设计任务 设计出合适的D/A转换电路，以及与AT89C51的缓冲接口电路为了达到0.1V的步进控制精度，对输出-5V+4.9V的电压范围至少要分辨出99个不同的状态数据，而8位DAC能够分辨出256个状态，因此采用8位DAC能够满足系统设计要求。本DAC采用DAC0832双极性输出。DAC采用双极性接法，DAC转换输出的模拟电压Vout（范围-5V 4.98V）送出去，相当于在稳压器输出端叠加一个-5+4.98V的电压。因
31、此，改变DAC的数字量，就能够实现09.9V的电压输出。 图2-5 DAC0832双极性输出DAC0832的8位数字量由CPU传送来，A1和A2为运算放大器。V0通过2R电阻反馈到运算放大器A2的反向输入端。A2构成加法运算电路，故由基尔霍夫定律列出方程组，并解:V0=VREF(B-128)/128; 图2-6 DAC0832与单片机AT89C51双极性电压输出主体2.3.4 A/D采样转换电路图2-7 AD574和AT89C51的接口电路由于AD674片内含有高精度的基准电压电源和时钟电路，所以不需要任何外加电路和时钟信号就可以完成A/D转换。AD574的输出带有三态控制，其输出可以直接与数
32、据总线相连。2.3.5开关电路图2-8 单片机控制开关电路2.3 软件设计2.3.1 A/D转换（I/V测量） 根据AD574的STS引脚信号特点，在A/D转换时，STS输出高电平。当A/D转换结束后，会自动产生低电平。因此，可将STS信号作为单片机外部中断输入信号，采用边沿触发方式触发中断。一旦A/D转换完成，就可触发中断，使单片机及时读取转换结果。A/D转换数据读取后，高8位存入R2中，低4位存入R3中。程序段如下： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0013H ；外部中断1入口地址 LJMP ADCRW ORG 0030H MOV SP,#6FH SETB IT1 ；设置下
33、降沿触发中断 SETB EX1 ；允许外部中断1中断 SETB EA ；开放使能中断 MOV R0，#Addr ；AD574转换启动地址00H送R0 MOVX R0，A ；启动AD574开始转换 SJMP $ ；等待中断ADCRW: INC R0 ；R0=01H，使R/C =1，准备读取结果 MOVX A,R0 ；读取高8位转换结果 MOV R2,A ；读高8位转结果存入R2中 INC R0 INC RO ；R0=03H,使R/C =1，A0=1 MOVX A,R0 ；读取低四位转换结果 MOV R3,A ；低四位转换结果存入R3中 ；转换数据处理 RETI END2.3.3定时器流程图图2-
34、9 定时器流程图2.3.4定时器程序明显的，在写入信息必须给脉冲，而如何定时地给脉冲，就不得不牵涉到关于定时器的知识。我们必须用定时器产生一个精确的定时时间。 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 001BH ；定时器/计数器中断入口 AJMP IT0P ORG 0100HMAIN: MOV 20H,#0AH MOV 30H,#00H ；秒单元清零 MOV TMOD,#10H ；定时器/计数器T1工作在非门控定时器方式1 MOV TL1，#0B0H ;定时器/计数器T1赋100ms定时初值 MOV TH1,#3CH SETB TR1 ；启动定时器/计数器T1 MOV IE,#88H
35、；允许定时器/计数器T1中断 SJMP $ ；等中断(也可调用显示子程序)IT0P: PUSH PSW ；保护现场 PUSH ACC MOV TL1，#0B0H ；重新赋初值 MOV TH1，#3CH DJNZ 20H,RETURN ；1s未到，返回 MOV 20H,#0AH ；1s到，重置中断次数 MOV A,30H ；“秒”单元加1 ADD A,#01H DA A ；“秒”单元调整为十进制数 MOV 30H,A CJNE A,#10H,RETURN ；是否到10秒，未到则返回 MOV 30H,#OOH ；到10s，“秒”单元清零 RETURN : POP ACC ；恢复现场 POP PSW
36、 RETI2.4读写数据2.4.1方案要求 A、首先要把温度稳定在相变点附近某个值 B、能够写入至少3位数据 C、能够读取数据 2.4.2具体操作图2-10 读写流程图 上述三个要求，第一个要求：由于本次课题侧重分析实现读写功能，故此我们假定本次设计的恒温器环节达到要求；第二个要求：本次设计的要求是至少写入三位，也就是8个状态。我们例如：本次设计方案需要至少写入三位，说明我们要给入8个脉冲信号。在正常情况下，我们通过一个恒温器来严格控制电阻温度在相变点附近，即67。在工作状态时，我们通过一个定时器程序来控制CPU定时加入相应的脉冲作用，施加的脉冲为50V /s。至于何时恰当地给电压脉冲，这个问
37、题通过上文的定时器程序得以解决。在给入脉冲后，瞬时电压增大，导致瞬时电流增大，从而导致电阻温度发热而温度急剧升高，电阻温度的瞬时升高导致电阻阻值发生相变，从而迅速下降。特别的，我们的电压脉冲式50V/S,这表明他是一个瞬时脉冲，脉冲过后，电路中的电压与电流迅速减小，温度也回落至相变点。但此时，我们知道电阻是一种固有属性，不会随着电流电压的变化而变化。通过电阻的变化，我们可以得知我们写入了信息。 方案的第三个要求：读取数据。我们通过记录下电压表和电流表的数值，再通过一定的计算就能得出电阻值的变化值和差值。但是我们知道，50V的电压对于一般的CPU来说太大了而且是模拟信号，故此，我们测得的电压还需
38、要进行一定的A/D的转换才能传输到CPU中。结 论首先，VO2的确是最有实用潜力和价值的材料，相变点在68附近虽然仍旧高于常温许多，但是在越来越好的实验条件和设备下，我们不无可能在常温下实现它的记忆存储。其次，我们证明了它的热储记忆特性，并不是简单的线性或者其他曲线，而是类似于磁滞回线的形状，甚至不能简单地用滞回线来描述。我们通过控制一些参数保持不变，而改变另外一些参数，得出了一些关于热存储特性的结果。例如，在不同的偏置电压下，观察输出温度随输入温度变化的情况，并记录下来，画成曲线图的形式，以便能够更加直观。此外，我们也对实验所需的条件进行了一些研究。实验对相变点温度有着极高的要求，不但需要温
39、度稳定，而且精度要达到零点零几摄氏度。目前的实验条件下很难做到这一点。此外，电阻均匀下降是我们假定的条件，在实际条件和受实验设备的干扰和限制，一定会有一定的误差。所以在设计方案的时候我们也要考虑这一点，允许一定的误差。在学习和做课题的期间，查了许多相关的资料，了解和学习到许多VO2相关的知识，对VO2材料和忆阻器的认识从无到有，从有到深入。入手这个课题也明白了想要做好一件事情不下点功夫，花时间琢磨肯定得不出结果。此外，本次方案是我在现有条件下得出的一个设计与分析的结果。虽然有一定的现实根据和理论分析。但毕竟受限于各个因素，一定存在或多或少的缺陷。但是，看着自己几经易稿的毕业设计论文。心里还是有
40、些满足的喜悦。在研究这个的同时，我也查了许多相关的资料和实验数据视频等等，也专门研究了关于VO2材料的一些其他特性，但这并不是无用的。所谓触类旁通，大抵就是这个意思。他可以拓宽我们的知识面和加深考虑事情的程度例如，上文提到的关于非线性热控制和非线性电气控制的有效性的资料，它可以帮助我们更好的理解，还有可以帮助我们进一步地调整性能，并通过热电路的设计添加更多独特的功能集成到热记忆。这样自发地创新比我们生搬硬套或是只研究前人的理论要来的更有趣味性和创新精神。另外，还有有一个高度分化高/低温状态的固态热记忆的成功演示表明，它现在可以实现对存储热信息的实用非线性热装置。电气控制纳入到VO2纳米梁使我们
41、的热传导（ 60 ）和增强热状态（的幅度增加，高/低差两个数量级）的调整能力显着改善。悬浮VO2纳米梁的单域的行为提供了极大的提高再现性和热设备的灵敏度。与此相反，实现之前提出的理论热记忆需要复杂的非线性原子晶格，难以耦合。他们用实验的方法在这里证明，利用VO2纳米梁的MIT获得非线性响应，可以很容易地实现和精确控制。此外，它也可以扩展到其他MIT材料的各种应用的探索，从声子信息处理，智能热管理，热能储存，以及超灵敏传感器。我相信VO2的前景必定很广阔。致 谢在论文的结尾，我要衷心地感谢帮助过我的指导老师以及同学们。没有邹老师提供的参考文献和悉心指导，没有同学们的热情帮助，我不能如此顺利地完成
42、了本次课题的撰写和分析。邹老师的参考资料让我对这个课题有了一个从无到有的认知，为写下这篇论文打下了良好的基础。还有在论文的修改期间，邹老师诲人不倦地指出我的不足之处，帮助我一遍又一遍地理解那些艰涩的相变以及读写的理论知识。耐心地指出我的错误，同时帮我分析和引导我怎样做才是最好和最优的。在这里，表达我诚挚的谢意。参考文献1 Mott,N,F.,J.Non-Cryst.Solid,11,19682 L. Wang , B. Li , Phys. Rev. Lett. (2007), 99, 177208 .3 L. Wang , B. Li , Phys. Rev. Lett. (2008), 1
43、01, 267203 .4 L. O. Chua,IEEE Trans. Circuit Theory ( 1971)18,5075 R.Heckingbottom and J.W.Linett,Natrue(London) 194 672,19626 Rozgingyi,G.A and Hensler,D.H.,J.Vac.Technol.,5 194,19687 Van Steensel,K.,van deBurg,F.and Kooy,C.,Philips.Res.Rep.,22 170,19678 D. B. Strukov, G. S. Snider, D. R. Stewart, and R. S. Williams,Nature London（2008）453,809 J. J. Yang, M. D. Pickett, X. Li, A. A. OhlbergDouglas, D. R. Stewart, and R. S. Williams,Nat. Nanotechn