CN108281548A - 一种双极性双稳态忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是公开一种双极性双稳态忆阻器，其包括上电极、下电极以及两电极之间的阻态转变层，其阻态转变层由二氧化钛纳米线阵列和涂布于纳米线阵列上的二氧化钛薄膜构成。本发明的阻态转变层是由二氧化钛纳米线和二氧化钛薄膜构成，二氧化钛纳米线具有高密度特性，制备成为忆阻器，可实现忆阻器的高密度存储，提高忆阻器的响应速度，降低忆阻器的功耗；在二氧化钛纳米线涂布一层二氧化钛薄膜，可避免纳米线参差不齐，与金属上电极接触不充分而引起的漏电流，从而提高忆阻器稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微纳电子器件技术领域，具体涉及一种双极性双稳态忆阻器及其制备方法。
背景技术
忆阻器是一种基本电路原件，器件的阻值对于磁通或者输入电压的刺激能够产生非线性响应并且能够保持。忆阻器原理最早是由美国加州大学伯克利分校的蔡少棠教授提出，直至2008年，惠普实验室的研究人员得到了世界上首个能工作的忆阻器原型，从而证实了忆阻器的理论，引发了人们极大的兴趣，并进行了大量的机理研究和应用化研究。最近几年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，如果可以实现忆阻器可以纳米级构造，最有希望解决晶体管等半导体器件随着尺寸缩减而出现的隧穿层变薄引发的问题。
忆阻器最有前景的应用是用于阻变存储电子器件和神经突触仿生功能的模拟人脑等计算领域。对阻变式存储材料要求是要具有可分辨的阻值范围，非易失性的存储特性，快速的读写功能和高循环次数。目前，能够实现阻变功能和构造忆阻器的材料主要有几个系列，例如金属氧化物系列，钙钛矿系列，硫化物系列，有机聚合物系列。如专利CN102738387A专利中公开了一种基于单层TiOx(0.5<x<3)薄膜结构的忆阻器及其制备方法，得到了一种阻变层由单层TiOx膜构成忆阻器，有效的降低了忆阻器的生产成本，但是其忆阻器存储单元密度较低，响应速度慢，稳定性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种稳定性好，响应速度好的双极性双稳态忆阻器及其制备方法。
本发明这种双极性双稳态忆阻器，包括上电极、下电极以及两电极之间的阻态转变层，其阻态转变层由二氧化钛纳米线阵列和涂布于纳米线阵列上的二氧化钛薄膜构成。
所述下电极为FTO导电玻璃，上电极为Au、Pt、Fe中的一种或多种。
所述的二氧化钛纳米线阵列的尺寸长度为0.5-10μm，直径为10-150nm；二氧化钛薄膜的厚度为10-600nm。
本发明这种双极性双稳态忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
1)将FTO下电极清洗干净后，置于反应釜中，加入钛酸四丁酯的酸溶液，进行水热反应，反应完成并清洗干净后，得到生长了二氧化钛纳米线阵列的FTO电极；
2)在步骤1)二氧化钛纳米线阵列涂布一层二氧化钛薄膜，然后在二氧化钛薄膜上制备一层金属上电极，即得忆阻器样件。
3)将步骤2)获得的忆阻器样件置于弱还原气氛中进行热处理，得到双极性双稳态忆阻器。
所述步骤1)中，钛酸四丁酯酸溶液的浓度为0.01-1.00moL/L；水热反应温度为80-200℃，水热反应时间为1-48h。
所述步骤2)中，上电极的制备方法为磁控溅射、真空镀膜、物理沉积、化学沉积中的一种；金属上电极的厚度为10-500nm。
所述步骤3)中，弱还原气氛为惰性气体和氢气的混合气体，氢气体积百分含量为1％-10％；热处理温度为400-500℃，处理时间为20-120min。
本发明的有益效果：
本发明的阻态转变层是由二氧化钛纳米线和二氧化钛薄膜构成，二氧化钛纳米线具有高密度特性，制备成为忆阻器，可实现忆阻器的高密度存储，提高忆阻器的响应速度，降低忆阻器的功耗；在二氧化钛纳米线涂布一层二氧化钛薄膜，可避免纳米线参差不齐，与金属上电极接触不充分而引起的漏电流，从而提高忆阻器稳定性。
附图说明
图1实施例1制备的二氧化钛纳米线阵列的微观形貌图。
图2实施例1制备二氧化钛纳米线阵列与二氧化钛薄膜复合结构的微观形貌图。
图3实施例1制备的忆阻器的电压-电流特性图
具体实施方式
实施例1
将FTO导电玻璃表面先后用丙酮和酒精进行超声清洗，得到FTO导电玻璃下电极。按照钛元素浓度为0.07mol/L配置钛酸四丁酯的酸溶液(酸溶液为质量分数为50％的盐酸水溶液)。将4cm2FTO导电玻璃置于高压反应釜中，接着加入0.238ml钛酸四丁酯的酸溶液，压紧装置后，置于鼓风干燥箱，并于130℃下加热反应4h，反应结束后，取出样件，用纯水清洗至中性，得到表面生长了二氧化钛纳米线阵列的FTO导电玻璃。其微观形貌图如图1所示，由图可知，在FTO导电玻璃生长了一层二氧化钛纳米线阵列，纳米先阵列排列紧密，纳米线阵列在长度上存在一些差异，二氧化钛纳米线的平均长度为4um，纳米线的平均直径为150nm。
接着通过旋涂仪在二氧化钛纳米线阵列上悬涂一层二氧化钛薄膜，旋涂的转速为2000r/min，旋涂时间为90s，获得的样件其微观结构如图2所示，由图可知，在二氧化钛纳米线阵列上制备了一层二氧化钛薄膜，由于纳米线阵列的高度差异，二氧化钛薄膜上有高低起伏，与纳米线阵列贴合紧密，获得的二氧化钛薄膜层平均厚度为10nm。
然后在二氧化钛薄膜上通过真空镀膜技术沉积一层金属Au上电极，得到忆阻器样件。其中金属Au上电极的平均厚度为50nm，真空镀膜的工艺参数为：真空度为3.0×10-2Pa，沉积时间约为90s。
将忆阻器样件在弱还原气氛(N2和H2的混合气体，氢气体积百分含量为3％)进行热处理，其中热处理温度450℃，处理时间为2h，处理完毕后得到双极性双稳态忆阻器。
对本实施例制备的双极性双稳态忆阻器进行性能测试，获得的电压-电流特性曲线如图3，由图3可知，本实施例制备的忆阻器具有双极性特征，扫描电压顺序为0→-5V→0V→5V→0V，器件在负向电压作用下，于3.1V时很快转变为低阻态，低阻态时I/V曲线具有良好的电流连续变化双极性特征，说明阻值稳定性好。扫描电压为正向时，器件阻值在2V时转换为高阻状态，器件漏电流弱而测试电流稳定，I/V曲线回线区域大，循环重复性好，高阻态时电流大小为n A级，低阻态时电流为m A级。
实施例2
将FTO导电玻璃表面先后用丙酮和酒精进行超声清洗，得到FTO导电玻璃下电极。按照钛元素浓度为0.03mol/L配置钛酸四丁酯的酸溶液(酸溶液为质量分数为50％的盐酸水溶液)。将4cm2FTO导电玻璃置于高压反应釜的，接着加入0.1ml钛酸四丁酯的酸溶液，压紧装置后，置于鼓风干燥箱，并于200℃下加热反应1h，反应结束后，取出样件，用纯水清洗至中性，得到表面生长了二氧化钛纳米线阵列的FTO导电玻璃。获得的二氧化钛纳米线的平均长度为1um，纳米线的平均直径为100nm。
接着通过旋涂仪在二氧化钛纳米线阵列上悬涂一层二氧化钛薄膜，旋涂的转速为1000r/min，旋涂时间为180s，获得的二氧化钛薄膜层平均厚度为100nm。
然后在二氧化钛薄膜上通过磁控溅射技术制备一层金属Pt上电极，得到忆阻器样件。其中金属Pt上电极的平均厚度为50nm，磁控溅射的工艺参数为：功率2.0KW，溅射时间30min。
将忆阻器样件在弱还原气氛(N2和H2的混合气体，氢气体积百分含量为1％)进行热处理，其中热处理温度400℃，处理时间为1h，处理完毕后得到双极性双稳态忆阻器。
实施例3
将FTO导电玻璃表面先后用丙酮和酒精进行超声清洗，得到FTO导电玻璃下电极。按照钛元素浓度为0.1mol/L配置钛酸四丁酯的酸溶液(酸溶液为质量分数为50％的盐酸水溶液)。将4cm2FTO导电玻璃置于高压反应釜的，接着加入0.340ml钛酸四丁酯的酸溶液，压紧装置后，置于鼓风干燥箱，并于80℃下加热反应48h，反应结束后，取出样件，用纯水清洗至中性，得到表面生长了二氧化钛纳米线阵列的FTO导电玻璃。获得的二氧化钛纳米线的平均长度为6um，纳米线的平均直径为200nm。
接着通过旋涂仪在二氧化钛纳米线阵列上悬涂一层二氧化钛薄膜，旋涂的转速为3000r/min，旋涂时间为60s，获得的二氧化钛薄膜层平均厚度为2nm。
然后在二氧化钛薄膜上通过磁控溅射技术制备一层金属Fe上电极，得到忆阻器样件。其中金属Fe上电极的平均厚度为200nm，磁控溅射的工艺参数为：功率3.0KW，溅射时间50min。
将忆阻器样件在弱还原气氛(N2和H2的混合气体，氢气体积百分含量为10％)进行热处理，其中热处理温度500℃，处理时间为20min，处理完毕后得到双极性双稳态忆阻器。
Claims (9)
1.一种双极性双稳态忆阻器，包括上电极、下电极以及两电极之间的阻态转变层，其特征在于，所述的阻态转变层由二氧化钛纳米线阵列和涂布于纳米线阵列上的二氧化钛薄膜构成。
2.根据权利要求1所述的双极性双稳态忆阻器，其特征在于，所述下电极为FTO导电玻璃，上电极为Au、Pt、Fe中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的双极性双稳态忆阻器，其特征在于，所述的二氧化钛纳米线阵列的尺寸长度为0.5-10μm，直径为10-150nm；二氧化钛薄膜的厚度为10-600nm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的双极性双稳态忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
1)将FTO下电极清洗干净后，置于反应釜中，加入钛酸四丁酯的酸溶液，进行水热反应，反应完成并清洗干净后，得到生长了二氧化钛纳米线阵列的FTO电极；
2)在步骤1)二氧化钛纳米线阵列涂布一层二氧化钛薄膜，然后在二氧化钛薄膜上制备一层金属上电极，即得忆阻器样件。
3)将步骤2)获得的忆阻器样件置于弱还原气氛中进行热处理，得到双极性双稳态忆阻器。
5.根据权利要求4所述的双极性双稳态忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，钛酸四丁酯酸溶液的浓度为0.01-1.00moL/L。
6.根据权利要求4或5所述的双极性双稳态忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，水热反应温度为80-200℃，水热反应时间为1-48h。
7.根据权利要求4所述的双极性双稳态忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，上电极的制备方法为磁控溅射、真空镀膜、物理沉积、化学沉积中的一种；金属上电极的厚度为10-500nm。
8.根据权利要求4所述的双极性双稳态忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，弱还原气氛为惰性气体和氢气的混合气体，氢气体积百分含量为1％-10％。
9.根据权利要求4所述的双极性双稳态忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，热处理温度为400-500℃，处理时间为20-120min。
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