CN103730573B - 一种光电多功能结构单元、其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型的功能结构单元，在电致电阻结构单元的基础上结合发光性能，使该结构单元在电致电阻变化的同时，发光状态也发生相应变化，从而实现了集阻变与光变于一体的新型多功能结构单元。该结构单元可以利用电阻的变化进行信息的存储，利用发光状态的变化进行信息显示，从而能够应用在信息存储领域，实现电写入、光读出的智能存储，为存储领域提供了一种全新的思路；同时，该结构单元还可以利用电阻的变化进行信息的存储，利用发光状态的变化进行信息传输，从而能够应用于光电通讯、光电互联系统中。

Description

一种光电多功能结构单元、其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及电致电阻转变技术与发光技术领域，具体涉及一种多功能结构单元及其制备方法，能够应用于信息存储与信息通讯等领域。

背景技术

随着数字高科技的迅猛发展，人们对现有的电子信息产品的功能提出了更多的需求，如小型化、低成本、低功耗、高容量、高速度、多功能等。同时，集成电路也得到了飞速发展，其应用也越来越广泛，电子系统正在与越来越多的其他系统相结合，进而孕育出各种多功能体系来满足人们对电子信息产品越来越高的需求。

当前主流动态存储器和静态随机存储器的弱点之一是其易失性，即断电情况下信息丢失，并且易受电磁辐射的干扰。闪存虽具有非易失性，但存在读写速度慢、记录密度低等技术障碍，又面临着微加工技术物理极限临近的问题。因此，开发新概念存储器已迫在眉睫。

2000年美国休斯敦大学在金属/钙钛矿锰氧化物PrCaMnO/金属这种三明治结构中发现，在金属电极间施加电脉冲可以使体系电阻在高低阻值来回切换。随后，人们发现在NiO、CuO、ZrO₂、TiO₂等多种过渡族金属氧化物中也存在类似的电致电阻转变效应。基于电致电阻转变效应，人们提出了一种新型非易失性存储器—电阻型随机存储器。电阻型随机存储器具有存储容量高、响应速度快、成本低等优点，随着研发的进展，该类存储器在集成电路中扮演着越来越重要的角色。

发明内容

本发明人在长期对电致电阻效应的研发基础上，发现：在电致电阻效应的三明治结构中，即，其由电极一、电极二，以及位于电极一与电极二之间的介质层组成的结构单元中，当介质层材料不仅具有电致电阻转变性能，而且在外界激励条件下具有发光性能，并且其发光状态与该电阻的转变行为一致时，该结构单元构成了一种特殊的光电多功能结构单元，能够实现电场写入，光读出（即，肉眼读出），或者电场写入、光传输的功能。

因此，本发明人提出了一种光电多功能结构单元，包括电极一、电极二，以及位于电极一与电极二之间的介质层，其特征是：所述的介质层具有电致电阻转变性能，而且在外界激励条件下具有发光性能；当电极一和电极二之间的施加电压变化，使该结构单元的电阻发生转变时，在外界激励条件下，该结构单元的发光状态也发生变化。

所述的介质层材料包括具有电致电阻转变性质的无机发光材料、有机发光材料和有机无机复合发光材料等。所述的发光材料包括硅酸盐、铝酸盐、钛酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氧化物、硫化物、硅基材料、半导体发光材料、稀土发光材料、上转换发光材料、下转换发光材料、量子点发光材料、有机小分子发光材料、有机高分子发光材料、金属有机配合物、X射线发光材料、化学发光材料、其他材料中的一种或多种组合等。

所述的介质层可以是单层薄膜，也可以是多层不同材料组合而成的复合薄膜。

所述的介质层厚度不限，优选为5nm～100000nm。

所述的发光状态不限，包括发光强度、发光波长或频率等。相应地、所述的发光状态发生变化是指发光强度、发光波长或频率等发生变化。

所述结构单元的发光状态发生变化的机理包括以下两种：

（1）因为外界激励发生变化而引起介质层发光状态变化，所述的外界激励变化是因为电极一和电极二之间的施加电压发生变化而引起的；

（2）外界激励保持不变，因为电极一和电极二之间的施加电压发生变化而引起介质层材料的发生变化，最终导致其发光状态变化。

所述的外界激励包括电磁波场激励、电场激励、磁场激励、应力场激励、温度场激励，以及阴极射线激励中的一种激励或多种的共同激励等。其中，所述的电磁波场激励包括红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等电磁波场激励。

所述的电极一与电极二是导电材料，电极一与电极二可以是由同一种导电材料构成，也可以由不同种导电材料构成。所述的导电材料选自铁、铬、锰、铝、铜、锡、钴、镍、金、钼、钯、锆、银、锂、铌、铂、钛、钽、铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝掺杂的氧化锌、氮化钛、氮化铝钛、氮化钽、氮化钨和石墨烯中的一种或多种组合。

本发明还提出了一种制备上述光电多功能存储单元方法，包括如下步骤：

步骤1、采用镀膜的方法在电极一表面制备介质层；

步骤2、采用镀膜的方法在介质层表面制备电极二。

所述的步骤1、2中的镀膜方法包括但不限于溶液旋涂、喷墨打印、自组装、丝网印刷、凸版印刷、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、脉冲激光沉积等方法中的一种或多种的组合。

综上所述，本发明提出了一种新概念的功能结构单元，在电致电阻结构单元的基础上结合发光性能，使该结构单元在电致电阻变化的同时，发光状态也发生相应变化，从而实现了集阻变与光变于一体的新型多功能结构单元。该结构单元可以利用电阻的变化进行信息的存储，利用发光状态的变化进行信息显示，从而能够应用在信息存储领域，实现了电写入、光读出的智能存储，为存储领域提供了一种全新的思路；同时，该结构单元还可以利用电阻的变化进行信息的存储，利用发光状态的变化进行信息传输，从而能够应用于光电通讯、光电互联系统中。

附图说明

图1为本发明实施例1中光电多功能存储单元的结构示意图；

图2是本发明实施例1中光电多功能结构单元的电流-电压的变化图；

图3是本发明实施例1中光电多功能结构单元的电压-波长-荧光强度的变化图；

图4是图3的荧光强度随电压的变化图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，光电多功能结构单元的结构如图1所示，由电极一、电极二，以及位于电极一与电极二之间的介质层组成。电极一采用重掺杂的Si衬底，介质层采用厚度为80nm的氧化铈薄膜，电极二采用ITO电极。

上述光电多功能结构单元采用镀膜的方法制备得到，具体如下：

步骤1：先将重掺杂的Si衬底用丙酮超声清洗10分钟，取出后用乙醇超声清洗10分钟，取出后再用去离子水超声清洗10分钟，以去除表面的杂质；然后用氮气吹干，放入浓度为10%的HF溶液中浸泡120秒，以去除表面的氧化层，取出后用丙酮超声清洗10分钟，取出后用乙醇超声清洗10分钟，取出后再用去离子水超声清洗，最后用氮气吹干作为电极一待用；

步骤2：将经步骤1处理后的Si衬底放入高真空磁控溅射系统的腔体中，在氩气氧气气压比为2:1，工作气压为1Pa的气氛中，调整溅射功率为40W，用溅射的方法在Si衬底表面生长一层厚约80nm的氧化铈薄膜；

步骤3：将步骤2得到的氧化铈薄膜放入退火炉中，1100℃退火30分钟；

步骤4：利用脉冲激光沉积系统在步骤3处理后的氧化铈薄膜表面沉积一层厚度约为100nm的ITO作为电极二。

在上述制得的光电多功能结构单元进行如下性能测试，其中利用半导体参数分析测试仪对其电学性质进行分析，利用拉曼光谱仪的荧光分析模式对其光学性质进行原位分析。具体测试过程如下：

（1）初始阶段：结构单元的电极一与电极二两端未施加电压，采用波长为325nm的紫外光激励其介质层

此时，结构单元的电阻状态处于初始高阻状态（逻辑“0”）；

与此同时，由于紫外光的激励，介质层发出紫光；

（2）阶段1：保持波长为325nm的紫外光激励其介质层，在该结构单元的电极一与电极二两端施加正向电压，并逐渐增大电压值

在此过程中，结构单元的电阻状态大致保持在初始高阻状态，如图2所示；

与此同时，介质层内部以及介质层与衬底的界面发生电化学反应，使介质层发光离子的总量改变，导致结构单元的发光状态发生改变，即发光强度由初始强度逐渐减小（即“亮度变暗”），其电压-波长-荧光强度的变化如图3所示，荧光强度随电压的变化图如图4所示；

（3）转变阶段：保持波长为325nm的紫外光激励其介质层，当电压增大至40-60V时

在此过程中，电场导致介质层的氧离子迁移，产生大量的缺陷，该结构单元的电阻状态由原来的初始高阻状态变为低阻状态（逻辑“1”），如图2所示；

与此同时，所述的电化学反应趋于平衡，该结构单元的光强趋于稳定（即“亮度不变”），如图3与4所示；

（4）阶段2：继续增大电压至最大值60V，然后逐渐减小电压至电压值为零

在此过程中，结构单元的电阻状态大致保持为低阻状态，如图2所示；

与此同时，发光强度保持稳定，如图3与4所示；

（5）恢复阶段：停止采用波长为325nm的紫外光激励介质层，电极一与电极二两端施加反向电压至电压值在一定区间，然后增大至最大值后再逐渐减小至电压值为零，如图3所示，在此过程中氧离子反向迁移，填充原来的氧空位，该结构单元的电阻状态返回至初始高阻状态（逻辑“0”）；

（6）重复上述（1）至（5），其电性能重复图2，光学性能重复图3与图4。

利用上述光电多功能结构单元能够制得一种光电多功能存储器件，该器件的存储单元即为该光电多功能结构单元。对该器件施加外界激励，如紫外光激发，当该器件两端的电压值发生变化时，其电阻在高阻态与低阻态之间变化，实现了电写入，与此同时，其发光强度在“变暗”与“不变”之间变化，从而实现了该信息的光读出，因此该器件成为一种智能的存储器件。

另外，利用上述光电多功能结构单元还能够用于光电传输系统中，对其施加一个外界激励，如紫外光激发，当施加电压使该结构单元阻态发生非易失性转变时进行信息存储；同时，因其发射光强度受该外加电压调控，故该发射光携带有和电压相关的信息，不同的光强代表不同的信息，从而实现将信息用光进行传输。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光电多功能结构单元，包括电极一、电极二，以及位于电极一与电极二之间的介质层，其特征是：所述的介质层为氧化铈，具有电致电阻转变性能，而且在外界激励条件下具有发光性能；

在紫外光激励条件下，当电极一和电极二之间的施加电压变化，使该结构单元的电阻在高阻态与低阻态之间变化时，保持紫外光激励不变条件下，该结构单元的发光强度在“变暗”与“不变”之间变化，实现电场写入、肉眼读出，或者电场写入、光传输的功能。

2.制备如权利要求1所述的光电多功能结构单元的方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤1、采用镀膜的方法在电极一表面制备介质层；

步骤2、采用镀膜的方法在介质层表面制备电极二。

3.一种信息存储器件，其特征是：包括如权利要求1所述的光电多功能结构单元。

4.一种光电通讯系统，其特征是：包括如权利要求1所述的光电多功能结构单元。