CN105957963A - 一种基于pet薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器及制备方法 - Google Patents
一种基于pet薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，其特征在于，包括丝印金属上电极层、丝印金属下电极层及位于二者之间的纳米线阵列层；所述纳米线阵列层为金属‑有机络合物纳米线阵列层，该阵列层垂直生长于丝印下电极层表面，结合牢度大。然后与丝印金属上电极层进行封装。所述丝印金属上电极层和丝印金属下电极层为柔性PET基底上丝网印制纳米银浆或微纳米铜浆而成。本发明提供一种能够用于可穿戴设备的柔性纳米线阵列忆阻器，在外加电场作用下，其电阻发生改变。该纳米线阵列忆阻器可以用作一种存储器件，且便于插取，该柔性薄膜忆阻器的制造方法简单，成本低，具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及纳米电子器件技术领域，尤其涉及一种柔性模拟型纳米线阵列忆阻器及其制备方法。
背景技术
目前，随着微电子技术的飞速发展，基于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺的传统存储技术已接近其理论极限，无法满足信息的爆炸式增长。鉴于忆阻器作为存储器件具有速度快、功耗低、密度高、体积小及功能强、成本低等优势，该器件迅速成为物理、电子、材料、纳米等领域的前沿和热点。纵观国际，自1971年著名华裔科学家蔡少棠在理论上指出自然界应该还存在一种继电阻、电感、电容后的第四种基本电路元件，它代表着电荷与磁通量之间的关系。2008年惠普实验室首次制作出世界上第一款具有记忆功能的忆阻器，全称记忆电阻(Memristor)。它是表示磁通量与电荷关系的电路器件。通过控制电场的变化可改变忆阻器的阻值，如果把低阻值定义为“0”，高阻值定义为“1”，如同计算机采用“0”和“1”组成代码来存储所有信息，忆阻器就可以实现数据存储的功能。目前制作忆阻器的方法绝大多数是采用绝缘氧化物或单晶半导体Si等作为衬底，这样制作的忆阻器具有不可弯曲和高成本的特点，从而在很大程度上限制了电子电路的集成度，阻碍了电子产品的柔性化、轻型化发展，限制了忆阻器的应用范围。尤其是随着金属-有机络合物薄膜M-TCNQ为代表的电荷转移型电双稳特性材料的问世，以及有机功能材料具有体积小、低成本、重量轻等优良特性，使得M-TCNQ在电存储材料与器件领域得到广泛应用。在忆阻器件研究中，其潜在的高存储密度应用一直是研究的重要部分。常见的忆阻器件多采用薄膜层作为其阻变功能层，因此光刻、电刻等微纳加工技术的使用是制备并集成高密度忆阻器件的关键。鉴于纳米线阵列的高密度特性，开发具有纳米线阵列层结构的忆阻器件，是实现高密度存储单元的简便而有效途径。同时，纳米线阵列结构的引入为忆阻器的结构设计提供新的方案，并为进一步研制以纳米线阵列为存储单元的忆阻器件提供研究基础。因此，最近几年忆阻器吸引了越来越多研究者的兴趣，并有望成为电子学、材料科学、半导体器件等领域研究的新热点。为了能够实现更大的集成，制备小尺寸的忆阻器器件是忆阻器发展的必然趋势。
发明内容
本发明的目的是解决现有忆阻器技术中存在的部分问题，提供一种柔性模拟型纳米线阵列忆阻器及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，包括丝印金属上电极层、丝印金属下电极层及位于二者之间的纳米线阵列层；所述纳米线阵列层为金属-有机络合物纳米线阵列层；且金属-有机络合物纳米线阵列层直接生长于丝印金属下电极层表面；所述丝印金属上电极层和丝印金属下电极层为柔性基底上丝网印制纳米银浆或微纳米铜浆而成。
优选地，所述柔性基底为PET薄膜。
优选地，所述金属-有机络合物纳米线阵列层为垂直丝印金属下电极层生长的Ag-TCNQ纳米线阵列层或Cu-TCNQ纳米线阵列层。
优选地，所述纳米线阵列层的直径为70nm-250nm，长度为700nm-4μm。
优选地，所述纳米线阵列层的Ag-TCNQ或Cu-TCNQ为晶态结构，是准一维的纳米管或线。
优选地，所述Ag-TCNQ或Cu-TCNQ的纳米线阵列层为电荷转移型M-TCNQ纳米线阵列薄膜，单根Ag-TCNQ或Cu-TCNQ形成时，Ag原子或Cu原子与TCNQ分子间发生电荷转移。
优选地，所述纳米线阵列层生长于丝印金属下电极层的表面。
优选地，所述表面生长有纳米线阵列层的丝印金属下电极层与丝印金属上电极层采用封装组合。
本发明的另一方面为基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在柔性基底表面丝网印制纳米银浆或纳米铜浆烘干后得到丝印金属上电极层和丝印金属下电极层；
(2)将丝印金属下电极层和TCNQ粉体置于密封容器抽真空，当密封容器压强低于2×10-3Pa时，将密封容器恒热处理，在丝印金属下电极层的表面获得垂直于下电极金属膜生长的Ag-TCNQ纳米线阵列层或Cu-TCNQ纳米线阵列层，通过气体离子溅射处理纳米线阵列层，诱导其上端产生氧缺陷；
所述步骤(1)烘干后的丝印金属上电极层和丝印金属下电极层的平均表面晶粒粒径为10-100nm；所述步骤(2)的恒热处理的温度为50-130℃，时间为30-240min。
优选地，所述步骤(1)的烘干温度为50℃-110℃，时间为10min-30min。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器及其制备方法，能够扩充忆阻器件的构建方案。同时，该忆阻器件具有连续多阻态转变、运行稳定、性能可控、工艺简单、成本低、高密度等优点；所述M-TCNQ纳米线阵列层垂直生长在丝印下电极上，在外加电场作用下表现出阻态变化，且阻态变化是一种渐变过程。如果用逻辑状态“1”代表高阻态,状态“0”代表低阻态,那么其记忆特性不仅包括简单的“0”和“1”还包括从“0”到“1”之间所有的“灰色”状态，具有模拟记忆特性。该基于PET薄膜的M-TCNQ纳米线阵列忆阻器可用作一种存储器件，该基于PET薄膜的M-TCNQ纳米线阵列忆阻器结构简单、采用丝印工艺降低了忆阻器的制作成本，因此具有产业化价值，有利于本发明的广泛推广和应用。
附图说明
图1为实施例1所得基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器的结构示意图；
其中，1为PET薄膜；2为丝印金属上电极层；3为丝印金属下电极层表面垂直生长的金属-有机络合物纳米线阵列层；
图2是依照本发明所述忆阻器的制备流程。
具体实施方式
为了更好地说明本发明，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
该实施例所得柔性纳米线阵列忆阻器的结构如图1所示，PET薄膜1，丝印金属上电极层2和金属-有机络合物纳米线阵列层3组成；
其中，金属-有机络合物纳米线阵列层3垂直生长于丝印金属下电极层表面，丝印金属上电极层2和丝印金属下电极层分别丝印于两片PET薄膜1表面。
构成电极材料为PET薄膜上丝网印制导电银浆，银浆的厚度为30μm-1000μm，在90℃烧结后，冷却至室温，切成所需的圆形或方形。
在丝印金属下电极层(Ag电极)表面采用真空饱和蒸汽反应法生长纳米线阵列层；该纳米线阵列层垂直于丝印金属下电极层生长，其中Ag-TCNQ纳米线阵列层为实现阻变特性的核心元件。首先采用丝网印制技术在PET薄膜上印制一层纳米银薄膜电极，于110℃恒温干燥120min后并将其大小切割为所需形状。将丝印有银膜的丝印金属下电极层和有机材料TCNQ粉体置于密封容器抽真空，当密封容器压强低于2×10-3Pa时，将密封容器恒热60℃处理100min，在银膜表面获得金属-有机络合物纳米线阵列层，通过气体离子溅射处理纳米线阵列薄膜，诱导其上端产生氧缺陷，形成阻变层。将丝印金属上电极层2与表面生长金属-有机络合物纳米线阵列层3的丝印金属下电极层进行封装，制备出基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器。
所述Ag-TCNQ或Cu-TCNQ的高导电方向沿TCNQ柱状堆积的方向，在其它方向上是绝缘态，在电场作用下，Ag-TCNQ或Cu-TCNQ发生高阻态到低阻态的转变，有绝缘态跃迁为导电态。相当于计算机存储器中的“1”态和“0”态，那么，记忆特性不仅包括简单的“0”和“1”还包括从“0”到“1”之间所有的“灰色”状态，具有模拟记忆特性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，其特征在于，包括丝印金属上电极层、丝印金属下电极层及位于二者之间的纳米线阵列层；所述纳米线阵列层为金属-有机络合物纳米线阵列层；所述丝印金属上电极层和丝印金属下电极层为柔性PET基底上丝网印制纳米银浆或微纳米铜浆而成。
2.根据权利要求1所述的基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，其特征在于，所述柔性基底为PET薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，其特征在于，所述金属-有机络合物纳米线阵列层为垂直生长于丝印金属下电极层表面的Ag-TCNQ纳米线阵列层或Cu-TCNQ纳米线阵列层。
4.根据权利要求3所述的基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，其特征在于，所述纳米线阵列层的直径为70nm-250nm，长度为700nm-4μm。
5.根据权利要求3所述的基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，其特征在于，所述Ag-TCNQ纳米线阵列层的Ag-TCNQ为晶态结构，是准一维的纳米管或线。
6.根据权利要求1所述的基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，其特征在于，所述M-TCNQ纳米线阵列层为电荷转移型M-TCNQ薄膜，单根Ag-TCNQ或Cu-TCNQ形成时，Ag原子或Cu原子与TCNQ分子间发生电荷转移。
7.根据权利要求1所述的基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，其特征在于，所述纳米线阵列层生长于丝印金属下电极层表面。
8.根据权利要求7所述的基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器，其特征在于，所述丝印金属上电极层与表面生长有纳米线阵列层的丝印金属下电极层采用封装组合。
9.根据权利要求1-8任一所述的基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在柔性PET基底表面丝网印制纳米银浆或纳米铜浆烘干后得到丝印金属上电极层和丝印金属下电极层；
(2)将丝印金属下电极层和TCNQ粉体置于密封容器中抽真空，当密封容器压强低于2×10-3Pa时，将密封容器恒热处理，在丝印金属下电极层的表面获得垂直生长的Ag-TCNQ纳米线阵列层或Cu-TCNQ纳米线阵列层，通过气体离子溅射处理纳米线阵列层，诱导其上端产生氧缺陷；
所述步骤(1)烘干后的丝印金属上电极层和丝印金属下电极层的平均表面晶粒为10-100nm；所述步骤(2)的恒热处理的温度为50-130℃，时间为30-240min。
10.根据权利要求9所述的基于PET薄膜的模拟型纳米线阵列忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的烘干温度为50℃-110℃，干燥时间10-30min。
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