Ηλεκτρονικές διατάξεις μνήμης βασισμένες σε σύνθετα υλικά πολυμερών και φορέων πρωτονίων

Abstract

The present thesis concentrates on the study of new electrochemical processes of suitable complex polymer films. The main aim of this thesis is the evaluation of the appropriateness of these processes in order to fabricate an organic non volatile memory. The basic concept of this non volatile memory is based on ionic transport and ionic trapping phenomena of complex polymer films. It should be noticed that the present thesis is not restricted to the fabrication of an organic non volatile memory, but concentrates on the investigation of the ionic transport and interfacial phenomena of these complex polymer films. These complex polymer films consist of poly-methyl methacrylate matrix (PMMA) doped with 12-phosphotungstic acid molecules (POM). The conduction carriers of these complex polymer films are in the form of protons. Various electrolytic capacitor devices were fabricated during thesis research and were studied using several electrical characterization methods such as time and frequency domain dielectric spectroscopy. An in-depth investigation of ionic transport mechanisms and interfacial phenomena was conducted using dielectric spectroscopy measurements in both domains. Additionally, hysteresis phenomena were observed in electrolytic capacitors, as a result of macroscopic ion transport within the electrolyte film. The observed hysteresis is a first sign evidence for memory phenomena in these electrolytic capacitors. Ionic transport mechanisms and interfacial phenomena were also studied as a function of various physicochemical parameters (i.e., electrolyte film thickness in the micro and nanoscale, POM molecule concentration inside the PMMA matrix, moisture effect), by using the aforementioned electrical characterization methods. Finally, the physicochemical properties of the electrolytic films were studied using supplementary spectroscopic techniques such as infra red and ultra violet – visible measurements. The results of this thesis, interpret a series of ionic transport and interfacial phenomena that are evident in several classes of disordered electrolytes.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη μελέτη ηλεκτροχημικών διαδικασιών, κατάλληλων σύνθετων πολυμερικών υλικών. Σκοπός της διατριβής αυτής είναι η αξιολόγηση της καταλληλότητας των φαινομένων αυτών, για τη δημιουργία μιας οργανικής μνήμης μόνιμης αποθήκευσης δεδομένων. Η αρχή λειτουργίας αυτής της οργανικής μνήμης στηρίζεται σε φαινόμενα ιοντικής μεταφοράς και παγίδευσης κατάλληλων σύνθετων πολυμερικών στρωμάτων. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η διατριβή αυτή δεν αποσκοπεί αποκλειστικά στην δημιουργία μιας οργανικής μνήμης, αλλά περισσότερο στην εκτενή μελέτη των διεπιφανειακών φαινομένων και φαινομένων ιοντικής μεταφοράς που παρουσιάζουν οι τα στρώματα αυτά. Τα σύνθετα αυτά στρώματα δημιουργούνται με τον εμπλουτισμό πολυμερικής μήτρας πολύ-μεθακρυλικού μεθυλεστέρα (PMMA) με μόρια 12-φώσφο-βολφαμικού οξέος (POM). Οι φορείς αγωγιμότητας των σύνθετων αυτών στρωμάτων είναι τα πρωτόνια. Κατά τη διάρκεια της διατριβής κατασκευάστηκαν ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, οι οποίοι μελετήθηκαν με διάφορες μεθόδους ηλεκτρικού χαρακτηρισμού, όπως για παράδειγμα μέσω μετρήσεων διηλεκτρικής φασματοσκοπίας στο χώρο των χρόνων και σε αυτό των συχνοτήτων. Από τις μετρήσεις διηλεκτρικής φασματοσκοπίας μελετήθηκαν σε βάθος τόσο τα φαινόμενα ιοντικής μεταφοράς του ηλεκτρολύτη, όσο και τα φαινόμενα της διεπιφάνειας μετάλλου/ηλεκτρολύτη. Επιπλέον, μελετήθηκαν τα φαινόμενα υστέρησης που παρουσιάζουν οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, λόγω της μακροσκοπικής κίνησης των ιόντων μέσα στον ηλεκτρολύτη. Τα φαινόμενα αυτά αποτελούν μια ένδειξη των φαινομένων μνήμης που παρουσιάζουν οι εν λόγο διατάξεις πυκνωτών. Χρησιμοποιώντας τις μεθόδους ηλεκτρικού χαρακτηρισμού, μελετήθηκε εκτενώς η επίδραση της μεταβολής των φυσικοχημικών παραμέτρων του ηλεκτρολύτη POM/PMMA (πάχος του ηλεκτρολύτη στην μίκρο και νανοκλίμακα, συγκέντρωση των μορίων POM μέσα στην μήτρα του PMMA, επίδραση της υγρασίας του περιβάλλοντος), στα διεπιφανειακά φαινόμενα και φαινόμενα μεταφοράς αυτού. Τέλος οι φυσικοχημικές ιδιότητες των ηλεκτρολυτικών υμενίων μελετήθηκαν μέσω συμπληρωματικών μετρήσεων φασματοσκοπίας υπεριώδους και ορατού-υπερύθρου. Τα αποτελέσματα της διατριβής ερμηνεύουν φαινόμενα ιοντικής μεταφοράς και διεπιφανειακά φαινόμενα, μιας πληθώρας άμορφων ηλεκτρολυτών, όπως άλλωστε είναι και ο ηλεκτρολύτης που μελετάται στην παρούσα διατριβή.