CN107863442A - 一种柔性阻变式存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性阻变式存储器及其制备方法，所述柔性阻变式存储器，包括柔性顶电极、柔性底电极以及位于所述柔性顶电极与柔性底电极之间的活性层，所述活性层由二硫化钼量子点和聚乙烯吡咯烷酮制成。本发明解决了现有技术中阻变式存储器机械性能较差、稳定性不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及存储器领域，尤其涉及一种柔性阻变式存储器及其制备方法。
背景技术
阻变式存储器（resistive random access memory, RRAM）是以材料的电阻在外加电场作用下可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的一类前瞻性下一代非易失型存储器，具有在32 nm节点及以下取代现有主流Flash存储器的潜力，由于RRAM具有存储单元结构简单、工作速度快、功耗低、信息保持稳定、具有不挥发性等特点而成为目前新型存储器的一个重要研究方向。近些年来，由于奇异量子效应和可控合成不同量子点技术上的突破，把半导体量子点植入电子和光电领域的介电矩阵中是十分有前景的研究方向，特别是基于量子点的RRAM，由于其具有结构简单、容易操作、低功耗、非易失、量子点的微型化以及突破传统器件的物理极限等等优点而得到了学术界和工业界广泛的关注，因此，有关RRAM的研究在近年来取得了一定进展，然而，现有的阻变式存储器仍存在机械性能较差，开关比较小、稳定性不足，不易调控等诸多缺点需要克服。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柔性阻变式存储器及其制备方法，旨在解决现有技术中阻变式存储器机械性能较差、稳定性不足的问题。
本发明的技术方案如下：
一种柔性阻变式存储器，其中，包括柔性顶电极、柔性底电极以及位于所述柔性顶电极与柔性底电极之间的活性层，所述活性层由二硫化钼量子点和聚乙烯吡咯烷酮制成。
所述的柔性阻变式存储器，其中，所述活性层中，二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:20~1:50。
所述的柔性阻变式存储器，其中，所述柔性顶电极及柔性底电极的材料均为Al、Cu、Au或Pt。
所述的柔性阻变式存储器，其中，所述柔性顶电极及柔性底电极均是厚度为80~100nm的金属薄膜。
所述的柔性阻变式存储器，其中，所述二硫化钼量子点的粒径为2-10nm。
一种柔性阻变式存储器的制备方法，其中，包括步骤：
提供一柔性底电极；
制备二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，并将所述混合溶液沉积在所述柔性底电极上，退火得到活性层；
在所述活性层上制备一柔性顶电极，得到所述柔性阻变式存储器。
所述的柔性阻变式存储器的制备方法，其中，所述混合溶液中，二硫化钼量子点的质量浓度为0.1 ~0.5 mg/mL，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为2 ~25 mg/mL。
所述的柔性阻变式存储器的制备方法，其中，将所述混合溶液沉积在所述柔性底电极上前，对所述混合溶液进行超声波处理。
所述的柔性阻变式存储器的制备方法，其中，所述混合溶液以旋涂的方式沉积在所述柔性底电极上。
有益效果：本发明所提供的柔性阻变式存储器，利用二硫化钼量子点和聚乙烯吡咯烷酮制成其中的活性层，二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮混合的活性层具有极好的柔性性能，可实现器件的高机械性；同时，聚乙烯吡咯烷酮的存在可以使二硫化钼量子点分布得更加均匀，提高器件的稳定性；另外二硫化钼是以量子点形式与聚乙烯吡咯烷酮制成活性层的，二硫化钼量子点的厚度可控，可以通过简单的调节厚度来改变捕获位点数量以及充电/放电能量，最终实现存储器的电学性能和存储性能可控，解决了现有技术中阻变式存储器机械性能较差、稳定性不足的问题。
附图说明
图1为本发明所述柔性阻变式存储器较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明所述柔性阻变式存储器制备方法的较佳实施例的流程图。
图3为本发明实施例2中对柔性阻变式存储器A进行存储特征测试得到的曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种柔性阻变式存储器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所述的柔性阻变式存储器，如图1所示，包括柔性顶电极400、柔性底电极200以及位于所述柔性顶电极400与柔性底电极200之间的活性层300，所述活性层300由二硫化钼量子点（MoS2）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制成。
本发明的柔性阻变式存储器，柔性顶电极400及柔性底电极200均为由柔性材料制成的柔性电极，同时利用二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮混合制成活性层，制成记忆器件，二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮混合的活性层具有极好的柔性性能，可实现器件的高机械性；另外，聚乙烯吡咯烷酮的存在可以使二硫化钼量子点分布得更加均匀，提高器件的稳定性；而且二硫化钼是以量子点形式与聚乙烯吡咯烷酮制成活性层的，二硫化钼量子点的厚度可控，可以通过简单的调节厚度来改变捕获位点数量以及充电/放电能量，最终实现存储器的电学性能和存储性能可控。
较佳地，所述活性层300中，二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:20~1:50，上述配比下，聚乙烯吡咯烷酮不但能很好地将二硫化钼量子点分散均匀，而且不影响二硫化钼的功能的发挥及厚度的调控，取得更好地捕捉位点数量控制及充电/放电能能量控制。
较佳地，所述二硫化钼量子点是由二硫化钼构成的零维的纳米半导体材料，其粒径为2-10nm，上述尺寸粒径下的二硫化钼量子点材料，具有明显的量子效应、较高的热稳定性、高质子迁移率、快速的多电子转移等优异特性。另外，二硫化钼量子点能够可逆的获得或失去一个或多个电子而结构不发生任何变化，使其成为理想的非易失型存储器的存储媒介，实现柔性阻变式存储器为非易失型存储器。
所述的柔性阻变式存储器，柔性顶电极400及柔性底电极200均是厚度为80~100nm的金属薄膜，金属薄膜的电极不但能够减小器件尺寸，还能提高存储器的柔韧性，改善存储器的整体机械性能，较佳地，所述柔性顶电极及柔性底电极的材料均为Al、Cu、Au或Pt等延展性能好、柔韧强度高的金属制成。
所述的柔性阻变式存储器还包括一用于固定设置所述柔性底电极200的柔性基底100，所述柔性基底100的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET塑料）, 其柔韧性好，化学性质稳定，不但能够提升柔性阻变式存储器的整体机械强度，而且能够在一定程度上避免水氧对电极及活性层的腐蚀影响。
本发明中，组成所述柔性阻变式存储器的基底、底电极、活性层及顶电极均具有柔性特点，从而从整体上改善柔性阻变式存储器的机械性能。
本发明中所述的柔性阻变式存储器中，在不同的工作温度下，活性层的分布均匀性和物理性质会有所改变，进而展示出不同的电学性能，不同的电学性能也即能反应出不同的工作温度，因此本发明所述的柔性阻变式存储器可用来实时监控温度。
本发明还提供了一种柔性阻变式存储器的制备方法，如图2所示，包括步骤：
S1、提供一柔性底电极；
S2、制备二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，并将所述混合溶液沉积在所述柔性底电极上，退火得到活性层；
S3、在所述活性层上制备一柔性顶电极，得到所述柔性阻变式存储器。
通过在一柔性底电极上沉积二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，形成薄膜，制备得到活性层，再在所述活性层上形成一柔性顶电极，从而制成柔韧性能好、机械性能高且稳定性能强、易于调控的柔性阻变式存储器。
所述步骤S1中，将在柔性基底上将如Al、Cu、Au或Pt等具有较好延展性的金属材料，在10-6Torr的真空度下以0.2 nm/s的速度、热蒸发的形式并通过掩膜版形成具有柔性的厚度为80~100nm的金属薄膜底电极，其中，所述柔性基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET塑料），其柔韧性好，化学性质稳定，不但能够提升柔性阻变式存储器的整体机械强度，而且能够在一定程度上避免水氧对电极及活性层的腐蚀影响。
所述步骤S2中，预先制备二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，然后在柔性底电极之上旋涂所述混合溶液，然后在100~150℃的温度下退火0.5~2h，形成活性层。退火温度太高，会对二硫化钼量子点造成灼伤，损害其性能，而且容易形成气泡、孔隙等，影响成膜质量，而退火温度太低，耗时太长，无法有效成膜。
所述混合溶液中，二硫化钼量子点为零维的纳米半导体材料，其粒径为2-10nm，且所述混合溶液中，二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度比为1:20~1:50。更佳地，所述混合溶液中，二硫化钼量子点的质量浓度为0.1 ~0.5 mg/mL，相应地，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为2~25mg/mL，上述配比能够有效分散二硫化钼量子点形成均匀薄膜。尤佳地，二硫化钼量子点的质量浓度为0.25-0.375 mg/mL。其中，可通过将0.5mg/ml的二硫化钼量子点溶液与不同浓度的PVB溶液以不同的比例混合，得到0.25-0.375mg/mL的二硫化钼量子点溶液，相应的，得到符合二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度比为1:20~1:50的PVB溶液。
所述混合溶液的溶剂可以为去离子水或常见的甲醇、乙醇、丙醇等沸点低、易挥发的有机溶剂，即能有效溶解二硫化钼量子点及聚乙烯吡咯烷酮形成均匀溶液，又能以较低温度进行退火形成活性层薄膜，能够较少高温退火对二硫化钼量子点造成的伤害，使得成膜均匀、成膜效果好，成膜质量高。
较佳地，将所述混合溶液沉积在所述柔性底电极上前，对所述混合溶液进行超声波处理，以进一步将二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮分散均匀。
较佳地，所述混合溶液以旋涂的方式在1500-3500 rpm的转速下沉积在所述柔性底电极上。其中，可通过调节旋涂转速及二硫化钼量子点的质量浓度实现对活性层中二硫化钼量子点数量、活性层厚度的调控。
所述步骤S3中，在活性层上将如Al、Cu、Au或Pt等具有较好延展性的金属材料，在10-6Torr的真空度下以0.2 nm/s的速度、热蒸发的形式并通过掩膜版形成具有柔性的厚度为80~100nm的金属薄膜顶电极，得到所述柔性阻变式存储器。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
将2ml 0.5mg/ml二硫化钼量子点水溶液与1ml 30mg/ml PVP水溶液混合，超声2小时得到均匀的0.33mg/ml的MoS2:PVP混合溶液；
在10-6Torr的真空度下以0.2 nm/s的速度、热蒸发的形式并通过掩膜版在PET塑料基底上100 nm厚的铝薄膜底电极；
在铝薄膜底电极上以1500-3500 rpm的转速旋涂MoS2:PVP的混合溶液，形成二硫化钼量子点层，120度退火1h，形成活性层；
在10-6Torr的真空度下以0.2 nm/s的速度、热蒸发的形式并通过掩膜版在活性层上形成100 nm厚的铝薄膜底电极，最终得到柔性阻变式存储器A。
将柔性阻变式存储器A，进行机械性能测试，，在经反复压缩和拉伸后，仍然保持良好的电学性能，本发明将聚合物PVP与二硫化钼量子点结合，具有极好的柔性性能，可实现器件的高机械性。
实施例2
对实施例1中所制备的柔性阻变式存储器A进行测试表征，方法为：
在探针台和倒置显微镜上测定上使用安捷伦4155C半导体参数分析仪测定存储器的电学性能。电压采取回扫的方式，当电压达到设定（SET）电压时，电流会突然变大，存储器会由高阻态（HRS）转变到低阻态（LRS），即“编程”状态。回扫之后，当电压达到复位过程（RESET）电压时，电流会突然变小，存储器由LRS转变回HRS，称为“擦除”。WORM（write-one-read-many-times，一次写入多次读取）型存储器则不能被擦除，LRS态永远不会回到HRS态。BRS（bipolar resistive switching，双极性开关）型存储器则可以被擦除。测量数据的保持特性，编程/擦除状态由施加正负偏压0.1秒得到，然后记录亚阈值电压下的电流随着时间的改变。以重复连续的编程/擦除操作来衡量存储器的耐力属性。在固定的编程/擦除周期数后测量存储器的阈值电压。
采用以上测试方法，对实施例1中所制备的柔性阻变式存储器A进行存储器特性测试，得到的曲线图如图3所示，I过程中，电压处于0-3V，器件处于高阻态，电流随着电压的增大而增大，Ⅱ过程中，当电压到达接近3V时，电阻值发生突变，器件从高阻态变成低阻态，电流从10-7A到10-3A，从OFF态到ON态，即“编程”过程，Ⅲ和Ⅳ过程中，电压变化是：3→5→0→-5→-1.5V，器件处于低阻态，电流在10-3A左右保持不变，体现了器件非易失的特征，Ⅴ过程中，当电压到达-1.5V时，电阻值也发生突变，器件从低阻态变成高阻态，电流从10-3A到10- 7A，从ON态到OFF态，即“擦除”过程，Ⅵ过程中，电压处于-1.5-0V，器件处于高阻态，电流随着电压的减小不断减小，从图中得出开关比为104，实施例1中所制备的柔性阻变式存储器A具有大开关比的性能优点。
实施例3
将1ml 0.5mg/ml二硫化钼量子点乙醇溶液与1ml 20mg/ml PVP乙醇溶液混合，超声2小时得到均匀的0.25mg/ml的MoS2:PVP混合溶液；
在10-6Torr的真空度下以0.2 nm/s的速度、热蒸发的形式并通过掩膜版在PET塑料基底上80 nm厚的铝薄膜底电极；
在铝薄膜底电极上以1500-3500 rpm的转速旋涂MoS2:PVP的混合溶液，形成二硫化钼量子点层，120度退火1h，形成活性层；
在10-6Torr的真空度下以0.2 nm/s的速度、热蒸发的形式并通过掩膜版在活性层上形成80 nm厚的铝薄膜底电极，最终得到柔性阻变式存储器B。
将柔性阻变式存储器B，进行机械性能测试，，在经反复压缩和拉伸后，仍然保持良好的电学性能，本发明将聚合物PVP与二硫化钼量子点结合，具有极好的柔性性能，可实现器件的高机械性。
综上所述，本发明提供了一种柔性阻变式存储器及其制备方法，所述柔性阻变式存储器，包括柔性顶电极、柔性底电极以及位于所述柔性顶电极与柔性底电极之间的活性层，所述活性层由二硫化钼量子点和聚乙烯吡咯烷酮制成，二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮混合的活性层具有极好的柔性性能，可实现器件的高机械性；同时，聚乙烯吡咯烷酮的存在可以使二硫化钼量子点分布得更加均匀，提高器件的稳定性；另外二硫化钼是以量子点形式与聚乙烯吡咯烷酮制成活性层的，二硫化钼量子点的厚度可控，可以通过简单的调节厚度来改变捕获位点数量以及充电/放电能量，最终实现存储器的电学性能和存储性能可控，解决了现有技术中阻变式存储器机械性能较差、稳定性不足的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种柔性阻变式存储器，其特征在于，包括柔性顶电极、柔性底电极以及位于所述柔性顶电极与柔性底电极之间的活性层，所述活性层由二硫化钼量子点和聚乙烯吡咯烷酮制成。
2.根据权利要求1所述的柔性阻变式存储器，其特征在于，所述活性层中，二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:20~1:50。
3.根据权利要求1所述的柔性阻变式存储器，其特征在于，所述柔性顶电极及柔性底电极的材料均为Al、Cu、Au或Pt。
4.根据权利要求3所述的柔性阻变式存储器，其特征在于，所述柔性顶电极及柔性底电极均是厚度为80~100nm的金属薄膜。
5.根据权利要求1所述的柔性阻变式存储器，其特征在于，所述二硫化钼量子点的粒径为2-10nm。
6.一种柔性阻变式存储器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供一柔性底电极；
制备二硫化钼量子点与聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，并将所述混合溶液沉积在所述柔性底电极上，退火得到活性层；
在所述活性层上制备一柔性顶电极，得到所述柔性阻变式存储器。
7.根据权利要求6所述的柔性阻变式存储器的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，二硫化钼量子点的质量浓度为0.1 ~0.5 mg/mL，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为2 ~25mg/mL。
8.根据权利要求6所述的柔性阻变式存储器的制备方法，其特征在于，将所述混合溶液沉积在所述柔性底电极上前，对所述混合溶液进行超声波处理。
9.根据权利要求6所述的柔性阻变式存储器的制备方法，其特征在于，所述混合溶液以旋涂的方式沉积在所述柔性底电极上。
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