金属金属离子对DNA记忆特性影响的研究毕业论文

本科毕业论文本科毕业论文题 目 金属离子对 DNA 薄膜器件记 忆特性的影响 专 业 物理学 作者姓名 王祥静 学 号 2012201493 单 位 物理科学与信息工程学院 指导教师 董瑞新 教授 2016 年 5 月教 务 处 编原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均在文中以明确的方式表明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名： 日期： 指 导 教 师 签 名: 日期： 聊城大学本科毕业论文目 录1. 引言 .11.1 记忆电阻的提出与发现 .11.2 国内外研究进展与现状 .21.3 记忆电阻的应用前景 .31.4 有机材料的优势 .31.5 本文主要研究内容 .42. 本文所用实验仪器介绍 .52.1 旋涂技术 .52.2 Keithley 2400 测量系统 .52.3 原子力显微镜测量系统 .63. DNA 分子薄膜记忆特性的研究 .83.1 材料的处理和器件的制备.83.1.1 实验试剂 .83.1.2 制备仪器 .83.1.3 实验过程 .83.2 记忆特性机理的分析 .104. 金属离子对 DNA 分子薄膜器件记忆特性的影响 .134.1 镍属离子对 DNA 分子薄膜器件记忆特性的影响 .134.1.1 加入镍离子后器件的忆阻特性分析 .134.1.2 镍离子对 DNA 记忆特性影响的机理分析 .144.2 镁离子对 DNA 分子薄膜器件记忆特性的影响 .145. 总 结 .16参考文献 .17聊城大学本科毕业论文致 谢 .18聊城大学本科毕业论文摘 要众所周知，以硅材料为基础的集成电路元件的尺寸降低到一定程度时，量子效应变得明显，从而影响了电路的稳定性。因此需要寻找一种新型存储技术突破此技术瓶颈。忆阻器以其独特的非线性电学性质在基础电路扩展、逻辑电路设计以及生物仿真等领域具有广泛的应用，尤其是在存储器的研究领域具有巨大的潜在价值。而有机忆阻器件因制备工艺简单、制作成本低、存储密度高等优点受到了广大科研人员的关注。DNA 具有独特的双螺旋结构、自组装等优势，有望制备成为新型的有机忆阻器件。本文主要采用旋涂技术进行 DNA 分子薄膜器件的制备，测量了其 I-V 特性曲线，观测出 DNA 分子薄膜具有良好的记忆特性并对其机理进行解释。此外还对 DNA 分子薄膜器件分别掺杂了镍离子和镁离子，并且测量出 0.02MolL 的镍离子浓度能够减小器件的开关电压，提高器件的高低电阻比，有效改善了 DNA 分子器件的记忆性能，而镁离子对其记忆特性并无积极作用，并且从理论上解释了金属离子对 DNA 薄膜器件记忆特性影响的原因。 关键词：记忆电阻；DNA；金属离子聊城大学本科毕业论文AbstractAs everyone knows, the integrated circuit element to reduce the size of the silicon material as the foundation to a certain extent, quantum effects will become obvious, thus affecting the stability of the circuit. To overcome the limitations of conventional semiconductor device, it is extremely urgent to find a novel nonvolatile memory instead of current memory technology. Recently, the memristor has been widely investigated for the basic circuit extensions, the logic circuit design and the bio-simulation areas due to the specific nonlinear electrical properties, especially in random access memory. Organic memory devices have attracted more attention of the researchers due to its distinctive advantages such as simple technology, low-cost and high density data storage. Among them, the memory devices based on DNA is expected to be one of new organic memory devices. DNA, as one of the organic biomaterials, has attracted the interests of the scientific workers because of the advantages such as unique double helix, self-assembly and so on. This paper mainly adopts spin coating technique for preparation of DNA molecular thin film devices. We detected DNA molecular films have good memory characteristic and explain the mechanism by measuring the I-V characteristic curve. Furthermore, Nickel ions and magnesium ions were doped with DNA molecular thin film devices, respectively. We measured that 0.02Mol/L nickel ion can reduce the switching voltage of the device,which improved the high and low resistance ratio, and effectively improve the memory performance of DNA molecular devices. However, magnesium ions have no positive effect on their memory properties. And the reasons for the influence of metal ions on the memory characteristics of DNA thin film devices are explained in theory.Key words: memristor; DNA; metal ion聊城大学本科毕业论文0金属离子对 DNA 薄膜器件记忆特性的影响1.引言1.1 记忆电阻的提出与发现1971 年，非线性电路理论先驱、任教于美国加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡少棠（Prof. Leon Chua）教授从对称性的角度出发进而从理论上预言，除电容、电感和电阻这三种基本电路元件之外，电子电路还应该存在第四种基本元件- 记忆电阻。同时，他还给出了忆阻（M）的定义，即是一种将电荷量（Q）和磁通量()关联起来（=MQ）的非线性无源两端电气元件（如图 1.1 所示），并对其在电路中潜在的用途进行了阐述 1。尽管记忆电阻的概念早已被提出，但一直没有制造出真正的忆阻元件，直到 2008 年 5 月，惠普（HP）实验室宣布成功制造出了忆阻元件，这一概念才又重新回到了人们的视野中来。HP 实验室是由 17 根宽度为 50nm 的纳米线排列组成的元件，每根纳米线有两层，分别为 TiO2 和 TiO2-x。如图 1.2 所示。图 1.1 完整电路元件示意图聊城大学本科毕业论文11.2 国内外研究进展与现状早在 1995 年，HP 实验室接到了科研上层的任务：研究纳米级的电子器件。经过多年的研究与实验，在 2006 年发现了用二氧化钛组成的忆阻器（memristor），并在 2008 年第一个发表相关论文。同年 5 月，HP 公司用两端纳米级电阻开关点阵器件实现了人工神经网络。 图 1.2 惠普实验室制作的十七排忆阻电路2008 年 6 月，美国波士顿 George Mason University 的研究生 Victor Erokhin 和 M.P.Fontana 研制了一个聚合体忆阻器 2。 2008 年 7 月，惠普实验室高级科研者 Stanley Williams 等人揭示了纳米级金属/ 氧化物/ 金属的双极开关忆阻特性，以及它的忆阻器开关机制。2008 年 11 月，美国加州大学伯克利分校，美国半导体行业协会和美国国家科学基金会共同举办了忆阻器研讨会，惠普实验室在会上展示了忆阻器的最新进展：即世界首个 3D 忆阻器混合芯片。 2009 年 4 月，美国密歇根大学的科学家研究出一种基于硅忆阻系统并能与 CMOS 兼容的超高密度内存阵列，是由纳米级忆阻器构成的芯片，该芯片能存储 1 千比特的信息，这将使该技术更易于扩展以存储更多的数据。密歇根大学芯片研制者吕炜表示，在一个芯片上集成更多的晶体管已经变得越来越困难，因为晶体管缩小而导致功耗增加，继续缩小器件差异的成本变得很高。而忆阻器的结构则更简单，它们更易于在一个芯片上封装更多的数量，以达到最高可能密度，对于内存来说聊城大学本科毕业论文2这样的应用更加具吸引力。2010 年 4 月 8 日，美国惠普公司科学家在Nature杂志上撰文表示，他们发现忆阻器可进行布尔逻辑运算，用于数据处理和存储应用。并且认为忆阻器电路或许可取代目前似乎已经处于穷途末路的硅晶体管，并最终改变整个电脑行业。1.3 记忆电阻的应用前景记忆电阻，简而言之就是一种具有电阻记忆行为的非线性电路元件，可以通过控制施加电压或电流等外界激励的方式改变其阻值。如果把高阻态值定义为“1”，低阻态值定义为“0”，即可通过控制器件的阻值实现信息的存储。记忆电阻器件不仅完善了现有的电路元件类型，在存储器领域具有不可估量的应用潜能，而且将其集成在电路中可以大幅度提高数据处理器的性能，可以应用于通信加密、人工智能、对生物记忆行为的模拟电路仿真、生物行为模拟和神经突触网络等方面。就目前而言，在神经网络方面，忆阻器件具有与神经元突触最接近的功能，具有构建模拟神经网络的最佳条件。1.4 有机材料的优势有机材料种类繁多，相对于无机材料具有制备成本低、柔韧性好、体积小、质量轻、操作简单、组成及结构多样化、存储密度高、能制备在不同的刚性或柔性衬底上以便于与其它光电子器件集成等优点，使得有机忆阻器件具有相当广阔的发展前景，尤其在信息存储和逻辑电路的发展中，起着非常重要的作用。脱氧核糖核酸(DNA) 作为有机生物材料之一，具有独特的天然结构(拥有独特的双螺旋结构、具备优异的力学刚性、物理和化学结构非常稳定、能够进行自组装等) ，是生物体遗传信息的主要承载者，在纳米电子学方面具有潜在的应用价值。此外，DNA 可以通过简单的旋涂技术大规模制作，这与热蒸发法相比具有制作成本低、制备工艺简单等优点。 1.5 本文主要研究内容聊城大学本科毕业论文3忆阻器作为一种新型的存储器件，有望克服传统非易失性存储器尺寸已经接近物理极限、功耗难以降