CN105428530B - 一种电阻开关性能可通过力学载荷调控的plt薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种电阻开关性能可通过力学载荷调控的plt薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电阻开关性能可通过力学载荷调控的PLT薄膜及其制备方法。PLT薄膜其结构式如下所示:Pb1‑x La x Ti1‑x/4O3x=2%。制备方法包括如下步骤:(1)清洗Pt(200nm)\Ti(50nm)\SiO2(500nm)\Si衬底;(2)取三水合醋酸铅溶于冰醋酸中,加入钛酸四丁酯得到溶液1;取硝酸镧溶于乙二醇甲醚中,搅拌均匀冷却得到溶液2;将溶液1加入溶液2中得到前驱体;(3)前驱体通过0.22μm的过滤头过滤后滴到400r/min转速下转动的衬底上;(4)将湿膜样品放置于管式炉中,预烧,除去有机溶剂;(5)重复步骤3、4得到薄膜;(6)在PLT薄膜上放置多孔掩模板,使用电子束蒸发系统在薄膜上制备得到厚度为20nm的Pt顶电极阵列。本发明的原料简单,PLT薄膜结晶性良好,表面致密平整,具有良好的电阻开关性能。

Description

一种电阻开关性能可通过力学载荷调控的PLT薄膜及其制备 方法
技术领域
本发明涉及电阻开关技术领域,具体地说,涉及一种电阻开关性能可通过力学载荷调控的PLT薄膜及其制备方法。
背景技术
随着信息产生的发展,电子产品的性能与集成度在不断地提高。由于产品功能的复杂化,需要不断地提高存储密度。因而,有必要研究体积小、耗能低、容量大、速度快以及性能可调的存储器件。在存储器中,阻变存储器具有非挥发性、结构简单、能耗低、擦写速度快等优点,使其得到了广泛的关注与研究。阻变存储器的存储原理基于电阻开关效应,即通过施加电压,材料的电阻可以在高阻态和低阻态之间转换。材料的电阻从高阻态转换到低阻态的过程称为Set过程,其电阻跳变时对应的电压为Set电压;材料的电阻从低阻态转换到高阻态的过程称为Reset过程,其电阻跳变时对应的电压为Reset电压。目前已经报道了很多种类的阻变材料,其中钙钛矿结构材料(如:SrTiO3、BiFeO3等)和过渡金属氧化物材料(如:TiO2、ZnO)的研究最为广泛。
对于钙钛矿结构材料,其结构通式为ABX3,其中A和B为金属,X一般为氧或卤族元素。研究发现,许多钙钛矿结构材料中存在电阻开关现象。此外,钙钛矿结构材料可能还具有铁电、压电、挠曲电等效应。钙钛矿结构具有如此丰富的性能,也增加了钙钛矿材料性能的控制手段,如:电场、力学加载等。研究表明,在化学成份相近的Pb1-x La x Ti1-x/4O3x=0.05)钙钛矿薄膜中具有铁电性、压电性及电阻开关等特性,但其电阻开关特性并不十分稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种结晶良好、质密度高的PLT薄膜及其制备方法,该发明采用的原料简单,操作方便,薄膜结晶良好,薄膜具有良好的电阻开关性能,并且可通过力学加载对薄膜的电阻开关性能进行调控。
本发明通过以下技术方案实现:
一种PLT薄膜,其结构式如下所示:
Pb1-x La x Ti1-x/4O3x=2%。
上述PLT薄膜的溶胶-凝胶旋涂制备方法,包括如下步骤:
(1)清洗Pt(200nm)\Ti(50nm)\ SiO2(500nm)\Si衬底:将衬底放置于丙酮:异丙醇:去离子水体积比为1:1:1的混合液中,超声清洗;再用去离子水超声清洗;用高纯氮气吹干衬底;
(2)取三水合醋酸铅溶于冰醋酸中,磁力搅拌器上110℃恒温搅拌至原料脱水;冷却后缓慢加入钛酸四丁酯,在磁力搅拌器上搅拌均匀得到溶液1;取硝酸镧溶于乙二醇甲醚中,磁力搅拌器上60℃恒温搅拌均匀并冷却得到溶液2;将溶液1缓慢加入溶液2中,充分搅拌并陈化24h得到前驱体;
(3)将清洗好的衬底放置于匀胶机吸盘上并吸片,前驱体通过0.22μm的过滤头过滤后滴到400r/min转速下转动的衬底上,而后转速增至4000r/min保持30s;
(4)将通过步骤3制备的湿膜样品放置于管式炉中,在400℃下预烧5min,除去其中的有机溶剂;
(5)重复步骤3、4可制备得到所需厚度的薄膜,将薄膜放置于管式炉中,在700℃以及大气氛围下退火1h,以使薄膜结晶,而后随炉冷却至室温;
(6)在PLT薄膜上放置多孔掩模板,使用电子束蒸发系统在薄膜上制备得到厚度为20nm的Pt顶电极阵列。
在上述制备过程中,衬底清洗、前驱体制备、匀胶、预烧和退火均在万级洁净间中完成,温度为23.5℃,湿度不超过60%。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明采用三水合醋酸铅、水合硝酸镧、钛酸四丁酯作原料,乙二醇甲醚为溶剂,冰醋酸为催化剂,原料简单。
2、本发明制备得到的PLT薄膜结晶性良好,表面致密平整。
3、本发明制备得到的PLT薄膜具有良好的电阻开关性能。在无力学加载的测试中,Set过程主要分布在13~15V的电压区间内,Reset过程主要分布在-0.7~-1.3V的电压区间内,Set及Reset电压范围小且电阻开关过程稳定。
4、本发明制备得到的PLT薄膜可通过力学加载对薄膜的电阻开关特性进行调控。在应力载荷为0.04N的条件下,Set电压整体明显减小,Reset电压整体亦有少许减小,Set过程主要分布在1~5V的电压区间内,Reset过程主要分布在-0.5~-1V的电压区间内;当应力载荷增加至0.08N,Set与Reset电压进一步减小,尤其是Set电压,主要分布区间减小到0.9~1.7V。
附图说明
图1为本发明所得PLT薄膜的XRD图谱。
图2为本发明所得PLT薄膜的SEM(a)表面形貌图,(b)断面形貌图。
图3为本发明所得PLT薄膜不同应力载荷下20次测试结果的电阻开关I-V曲线。(a)0N,(b)0.04N,(c)0.08N。
图4为本发明所得PLT薄膜不同应力载荷下20次测试结果的Set与Reset电压分布。(a)0N,(b)0.04N,(c)0.08N。
具体实施方式
实施例1:
1)将衬底放置于丙酮、异丙醇、去离子水各10ml(体积比丙酮:异丙醇:去离子水为1:1:1)的混合液中,超声清洗5分钟;再用去离子水超声清洗1分钟;用高纯氮气吹干衬底。
2)取5mmol三水合醋酸铅溶于10ml冰醋酸中,磁力搅拌器上110℃恒温搅拌至原料脱水。冷却后缓慢加入5mmol钛酸四丁酯,搅拌至第一种溶液均匀。
3)取0.1mmol硝酸镧溶于10ml乙二醇甲醚中,磁力搅拌器上60℃恒温搅拌至第二种溶液均匀并冷却。
4)将第一种溶液缓慢加入第二种溶液中,充分搅拌并陈化24h得到前驱体。
5)用2ml注射器吸入前驱体,并在注射器头部安上0.22μm的过滤头。
6)将步骤1所得的衬底旋转于匀胶机上并吸片,前驱体通过过滤头过滤后滴到400r/min转速下转动的衬底上分散均匀。
7)转速以2000r/(min·s)的加速度加速至4000r/min,保持30s。
8)将步骤7所得的湿膜样品在400℃下预烧5min以使有机溶剂挥发。
9)重复步骤6、7、8数次以制备得到所需厚度的薄膜。
10)将薄膜样品放置于电子束蒸发样品托上,在样品上放置具有多孔结构(孔洞直径0.3mm,行列间距1mm)的掩模板,使用压片将掩模板连同样品压紧。将样品托安装至电子束蒸发系统,调整参数在薄膜样品上蒸镀20nm的Pt电极。
11)将样品放置于测试台上,一个探针与衬底上的Pt底电极接触,另一探针与薄膜上的Pt顶电极接触。且与顶电极接触的探针与应力传感器连接,可以调整探针的高度对样品施加不同大小的应力载荷,并且应力载荷的大小可以通过应力传感器探测到。
12)两条探针的另外一端与半导体特性分析系统Keithley 4200相应的端口连接,从而形成回路,可以通过半导体特性分析仪Keithley 4200在底电极与顶电极间施加电压并测量得到电流。
13)设置一个大的正向电压扫描范围,以0.05V的步长进行电压扫描,限制电流为10-4A。运行过程中,测量电流值有个大的突变时停止测量程序。
14)设置一个小的反向电压扫描范围,以0.05V的步长进行电压扫描,限制电流为0.01A。运行过程中,测量电流值从一个很大的值跳变到很小后停止测量程序。
15)重复13、14多次后薄膜的电阻开关特性相对稳定后,设定一个合适的Set电压和Reset电压,进行电阻开关循环测试。
16)改变薄膜的应力载荷,进行相应的电阻开关测试。图1为本发明所得PLT薄膜的XRD图谱;从XRD图谱可以得到,除衬底峰后仅有PLT的衍射峰,表明本发明制备得到了纯相PLT薄膜;尖锐的XRD衍射峰表明薄膜结晶性良好。
图2为本发明所得PLT薄膜的SEM(a)表面形貌图,(b)断面形貌图;从SEM表面形貌图可以看到制备得到的PLT薄膜晶粒平均尺寸约为70nm,表面致密平整;断面形貌图表面PLT薄膜的厚度约为400nm。
图3为本发明所得PLT薄膜不同应力载荷下20次测试结果的电阻开关I-V曲线。(a)0N,(b)0.04N,(c)0.08N。图4为本发明所得PLT薄膜不同应力载荷下20次测试结果的Set与Reset电压分布。(a)0N,(b)0.04N,(c)0.08N。从附图可知,在应力载荷为0.04N的条件下,Set电压整体明显减小,Reset电压整体亦有少许减小,Set过程主要分布在1~5V的电压区间内,Reset过程主要分布在-0.5~-1V的电压区间内;当应力载荷增加至0.08N,Set与Reset电压进一步减小,尤其是Set电压,主要分布区间减小到0.9~1.7V。本发明制备得到的PLT薄膜具有良好的电阻开关性能,且其电阻开关性能可通过力学加载进行调控。

Claims (1)

1.一种PLT薄膜的溶胶-凝胶旋涂制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)清洗Pt(200nm)\Ti(50nm)\ SiO2(500nm)\Si衬底:将衬底放置于丙酮:异丙醇:去离子水体积比为1:1:1的混合液中,超声清洗;再用去离子水超声清洗;用高纯氮气吹干衬底;
(2)取三水合醋酸铅溶于冰醋酸中,磁力搅拌器上110℃恒温搅拌至原料脱水;冷却后缓慢加入钛酸四丁酯,在磁力搅拌器上搅拌均匀得到溶液1;取硝酸镧溶于乙二醇甲醚中,磁力搅拌器上60℃恒温搅拌均匀并冷却得到溶液2;将溶液1缓慢加入溶液2中,充分搅拌并陈化24h得到前驱体;
(3)将清洗好的衬底放置于匀胶机吸盘上并吸片,前驱体通过0.22μm的过滤头过滤后滴到400r/min转速下转动的衬底上,而后转速增至4000r/min保持30s;
(4)将通过步骤3制备的湿膜样品放置于管式炉中,在400℃下预烧5min,除去其中的有机溶剂;
(5)重复步骤3、4可制备得到所需厚度的薄膜,将薄膜放置于管式炉中,在700℃以及大气氛围下退火1h,以使薄膜结晶,而后随炉冷却至室温;
(6)在PLT薄膜上放置多孔掩模板,使用电子束蒸发系统在薄膜上制备得到厚度为20nm的Pt顶电极阵列;
所述PLT薄膜为Pb1-x La x Ti1-x/4O3x=2%。
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