CN108615810A - 一种室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，包括以下步骤：S1：以植物的干燥果皮、根、茎或叶中的至少一种为原料，采用分离法获得植物粉末；S2：将步骤S1获得植物粉末溶解于N‑甲基吡咯烷，制成胶体；S3：将步骤S2获得的胶体在导电基片的导电面制成薄膜作为介电层，将带有介电层的导电基片进行干燥处理；S4：经步骤S3处理后，在介电层表面沉积上电极，获得具有上电极/植物粉末/基片结构的忆阻器件，所述忆阻器件为室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件。该制备方法操作简单、薄膜厚度均匀可控、重复性好、沉积速度快、制备成本低、效率高，适合工业化大规模生产，值得在业内推广。
Description
技术领域
本发明属于半导体薄膜器件领域，具体涉及一种室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法。
背景技术
在这个信息产业发达的时代，随着人口的增长和人们对生活日益的增长的需求，科技日新月异，电子行业以爆炸式地速度迅速发展起来，电子产品日异增加。尤其是存储器在整个IC市场中一直占有十分重要的地位。IC存储器价格上涨，从而推动全球存储器市场规模达到创纪录的853亿美元，同比增长10％。在今后的几年中存储器市场都将非常健康并且快速的发展，并且在2020有望突破1000亿美元的规模，而且市场份额还在不断扩大。目前使用的存储器可以分为两类，即易失性的随机存储器和非易失性存储器。前者主要产品有动态随机存取存储器和静态随机存储器，数据存储速度快，但当结束供电后，所存储的信息将会很快消失，因此易失性存储器存储的信息需要不断刷新。后者主要有ROM(只读存储器)、PROM(可编程存储器)、EEPROM(电可擦除存储器)、Flash(闪存)等，它们的存储速度相对较慢，但是具有断电后仍然能够继续保持存储数据的特性，已经广泛应用于许多小型电子设备中，其中Flash已经成为目前最为成熟的非易失性存储器。
忆阻随机存储器(RRAM)是基于忆阻效应的一种存储器，简称忆阻器，与磁存储器结构类似，存储单元为导体/绝缘体/导体构成的三明治结构，但是介质层两侧不是磁性材料，而是导体材料或半导体材料。一般的情况下，导体为金属，因此忆阻随机存储器的结构为导体/绝缘体/导体型结构。通过施加一定的电压脉冲信号，使导体/绝缘体/导体结构中绝缘层的电阻可以在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间进行可逆转换，从而实现对数据的写和读。忆阻随机存储器具有存储单元小，微缩性好，功耗低，读写速度快，结构相对简单等优点。另外，若使用有机材料制备忆阻随机存储器可以极大限度的降低器件的成本，降低电子产品对环境的污染。有机阻变材料具有非常好的柔韧性，在未来的柔性电子器件中具有重要的发展潜力。
目前，制备忆阻器的材料主要是半导体，如ZnO，TiO2，ZrO2，NiO，BiFeO3，SrTiO3，Fe2O3等，以及一些有机半导体材料，这样的半导体材料获取难、价格高、不易回收、可持续利用率低，而且有一部分半导体材料具有毒性，对环境和人体都有负面影响。最近，许多科研人员在制备忆阻器件中开始使用无毒的天然生物材料，如蚕丝、蛋白质、蛋清等。但是，蚕丝和蛋白质的价格昂贵，不易获取。在该发明中我们尝试使用天然的生物材料核桃皮来制备忆阻器，不但实现了废物的二次利用，而且核桃皮容易分解，无污染，可持续利用。因此，利用核桃皮制备的忆阻器件具有潜在的低成本，从长远来看将是非常有意义的。材料的忆阻效应和电容效应都是非常有趣的物理现象，但两种现象的共存备受科学家的青睐。人们在干枯树叶制成的器件中观察到了明显的电容效应。但是，目前为止忆阻效应和电容效应稳定共存现象尚未被报道，这将大大制约着一些材料的使用价值。研究室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法将具有重大的意义，有望为将来开发新型多功能电子器件，为实现更优异的性能的电子器件提供新的途径。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供了一种室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，该器件结构简单、性能优异、稳定、重复性好。在下一代新概念存储器件领域具有很好的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：制备植物粉末：以植物的干燥果皮、根、茎或叶中的至少一种为原料，采用分离法获得粒径为1～3μm的植物粉末，所述植物粉末的碳含量为60～70％，氧含量为30～40％；
S2：制备胶体：将步骤S1获得植物粉末溶解于N-甲基吡咯烷(NMP)，制成胶体；
S3：制备介电层：将步骤S2获得的胶体在导电基片的导电面制成薄膜作为介电层，将带有介电层的导电基片进行干燥处理；
S4：沉积上电极：经步骤S3处理后，在介电层表面沉积上电极，获得具有上电极/植物粉末/基片结构的忆阻器件，所述忆阻器件为室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件。
上述技术方案中，所述步骤S1中的植物粉末可以采用但不限于核桃粉末，其他植物叶子、茎、根、果皮等经过适当处理均可用于本发明。相较其他植物，核桃皮粉末中含有大量的碳，其碳含量的百分比为67％，氧含量的百分比为32％。在本项发明中需要植物元素的含量满足碳的百分比为60～70％，氧的百分比为30～40％的条件。
上述技术方案中，所述步骤S1的具体步骤为：将原料依次用去离子水、酒精及去离子水清洗后，放置于容器中，将容器移置烘箱中干燥至恒重，取出干燥后的原料进行粉碎、研磨，再分撒在酒精中，抽滤后将滤物进行二次干燥，获得粒径为1～3μm的植物粉末。
上述技术方案中，所述步骤S3中，干燥处理的条件为：在温度25～35℃的干燥箱中，干燥时间45～50小时。
上述技术方案中，所述步骤S3中，利用旋涂法将步骤S3获得的胶体在基片的导电面旋涂成薄膜。
上述技术方案中，步骤S3中，所述薄膜厚度为20～30μm。
上述技术方案中，所述步骤S4中，采用真空沉积法在介电层表面沉积上电极。
上述技术方案中，所述上电极可以采用但不限于采用银、钛或铜中一种。
上述技术方案中，所述导电基片可以采用但不限于具有导电薄膜的平整玻璃或石英基底，导电基片优选氧化铟锡透明导电玻璃。
本发明的有益结果是：本发明提供的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，利用分离法制备超细的植物粉末，并在导电基片上制备植物粉末薄膜，利用了废物制备有用的器件，有利于环境保护；本发明制备的忆阻器件结构简单，忆阻效应的呈现是由于导电细丝的形成和熔断造成的，该器件的可以实现采用负向电流进行写入数据，使用正向电流读取数据，而且该器件写入和读取数据的电流非常小，极大的降低了器件的功耗，极大的解决了因器件发热而带来的危害；目前为止，忆阻效应和电容效应稳定共存现象尚未被报道，因而本发明属于开创性发明创造，而忆阻效应和电容效应集成于一体的现象有望为将来多功能电子器件发展提供一条道路。总体而言，本发明提供的制备方法能够有效实现废物的二次利用，降低电子器件制造成本，同时制备成的器件具有较好的室温忆阻特性和电容特性，而且循环稳定性良好。
附图说明：
图1是本发明室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法流程图；
图2是本发明实施例1中提取的核桃皮粉末的XRD图谱；
图3是本发明实施例1所制备忆阻器件的忆阻效应表征图；
图4是本发明实施例1所制备忆阻器件的转换电流—循环次数图；
图5是本发明实施例1所制备忆阻器件的存储时间性能的表征图；
图6为本发明实施例2所制备忆阻器件的忆阻效应表征图；
图7为本发明实施例2所制备忆阻器件的忆阻效应多圈的测试图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
实施例1
图1为室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法流程图。为便于理解，在流程图以及本实施例中，以核桃皮为原料、以银为上电极、以氧化铟锡透明导电玻璃(ITO)为导电基片，进行具体说明。如图1所示，室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备植物粉末：以核桃皮为原料，收集核桃皮，将核桃皮依次用去离子水、酒精及去离子水清洗后，放置于容器中，将容器移置温度30℃的烘箱中，将核桃皮干燥至恒重，取出干燥后的核桃皮进行粉碎、研磨，将研磨好的核桃粉末分撒在酒精中，用铝膜进行抽滤，再将滤物进行二次干燥，将最终干燥好的核桃皮粉末保存于30℃的干燥箱中，核桃皮粉末粒径为1～3μm，备用；
S2：制备胶体：将步骤S1获得核桃皮粉末溶解于N-甲基吡咯烷(NMP)，制成胶体；
S3：制备介电层：采用氧化铟锡透明导电玻璃(ITO)做导电基片，利用旋涂法将步骤S3获得的胶体在ITO导电面旋涂成薄膜作为介电层，将带有介电层的导电基片放置在温度30℃的干燥箱中，干燥时间45小时；
S4：沉积上电极：经步骤S3处理后，将带有介电层的导电基片放入真空沉积设备中，采用真空沉积法在介电层表面沉积金属银作为上电极，获得具有银/核桃皮粉末/ITO结构的忆阻器件，该忆阻器件为室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件。
图2为本实施例提取的超细核桃皮粉末的X射线衍射(XRD)图谱，由图可以看出提取出来的超细核桃皮粉末的主要成分为碳。
图3为本实施例所制备忆阻器件的忆阻效应表征图，在忆阻性能测试中，ITO导电玻璃直接作为下电极，用面积约1mm2的银作为上电极，将电化学工作站作为电流电压测试两用表，构成测试电路进行忆阻性能测试，其结果如下：
测试电路在电压扫描范围为-1.0V到1.0V，最大限制电流为1uA的电流—电压(I-V)图，从图中可以明显看出所制备的忆阻器件具有良好的忆阻效应，而且该器件还有明显的电容效应。
图4为本实施例忆阻器件的转换电流—循环次数图，由图可以看出，该忆阻器件的可以使用负向电流来写入数据，正向电流读取数据并且其循环稳定性良好，800多次循环后没任何衰减。
图5为本实施例该忆阻器件的存储时间性能的表征图，在0.375V偏压下，写入数据的电流(I-read)和读取数据的电流(I-write)—时间图，由图可以看出，其开关10000秒之后，基本无任何衰减。
通过上述实验可以证明，制备得到的超细核桃皮粉末具有良好的忆阻存储效应，该忆阻器件能够实现较好的室温忆阻存储特性而且循环稳定性良好。
实施例2
S1：制备植物粉末：以蒜为原料，将蒜依次用去离子水、酒精及去离子水清洗后，放置于容器中，将容器移置温度30℃的烘箱中，将蒜干燥至恒重，取出干燥后的蒜进行粉碎、研磨，将研磨好的核桃粉末分撒在酒精中，用铝膜进行抽滤，再将滤物进行二次干燥，将最终干燥好的蒜粉末保存于30℃的干燥箱中，蒜粉末粒径为1～3μm，备用；
S2：制备胶体：将步骤S1获得蒜粉末溶解于N-甲基吡咯烷(NMP)，制成胶体；
S3：制备介电层：采用氧化铟锡透明导电玻璃(FTO)做导电基片，利用旋涂法将步骤S3获得的胶体在FTO导电面旋涂成薄膜作为介电层，将带有介电层的导电基片放置在温度30℃的干燥箱中，干燥时间45小时；
S4：沉积上电极：经步骤S3处理后，将带有介电层的导电基片放入真空沉积设备中，采用真空沉积法在介电层表面沉积沉积金属银作为上电极，获得具有银/蒜粉末/FTO结构的忆阻器件，该忆阻器件为室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件。
图6为本实施例所制备忆阻器件的忆阻效应表征图，在忆阻性能测试中，FTO导电玻璃直接作为下电极，用面积约1mm2的银作为上电极，将电化学工作站作为电流电压测试两用表，构成测试电路进行忆阻性能测试，其结果如下：
测试电路在电压扫描范围为-6.0V到6.0V，最大限制电流为1uA的电流—电压(I-V)图，从图中可以明显看出所制备的忆阻器件具有良好的忆阻效应，而且该器件还有明显的电容效应。
图7为本实施例所制备的忆阻器件忆阻效应多圈的测试图。
综上所述，本发明提供的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，该器件结构简单、性能优异、稳定、廉价、重复性好，适合工业化生产。在下一代新概念存储器件领域具有很好的应用前景。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，包括如下步骤：
S1：制备植物粉末：以植物的果皮、根、茎或叶中的至少一种为原料，采用分离法获得粒径为1～3μm的植物粉末，所述植物粉末的碳含量为60～70％，氧含量为30～40％；
S2：制备胶体：将步骤S1获得植物粉末溶解于N-甲基吡咯烷，制成胶体；
S3：制备介电层：将步骤S2获得的胶体在导电基片的导电面制成薄膜作为介电层，将带有介电层的导电基片进行干燥处理；
S4：沉积上电极：经步骤S3处理后，在介电层表面沉积上电极，获得具有上电极/植物粉末/基片结构的忆阻器件，所述忆阻器件为室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件。
2.根据权利要求1所述的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的植物粉末为核桃皮粉末。
3.根据权利要求1所述的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，分离法具体步骤为：将原料依次用去离子水、酒精及去离子水清洗后，放置于容器中并干燥至恒重，取出干燥后的原料进行粉碎、研磨，再分撒在酒精中，抽滤后将滤物进行二次干燥，获得粒径为1～3μm的植物粉末。
4.根据权利要求1所述的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，干燥处理的条件为：在温度25～35℃的干燥箱中，干燥时间45～50小时。
5.根据权利要求1所述的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，利用旋涂法将步骤S3获得的胶体在导电基片导电面旋涂成薄膜。
6.根据权利要求1或5所述的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述薄膜厚度为25～30μm。
7.根据权利要求1所述的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，采用真空沉积法在介电层表面沉积上电极。
8.根据权利要求1或7所述的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，其特征在于：所述上电极采用银、钛或铜中一种。
9.根据权利要求1所述的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，其特征在于：所述导电基片采用具有导电薄膜的平整玻璃或石英基底。
10.根据权利要求1所述的室温下忆阻及负电容效应稳定共存器件的制备方法，其特征在于：所述导电基片为氧化铟锡透明导电玻璃。
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