CN108666418A - 一种忆阻器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种忆阻器件的制备方法，其步骤包括：将干燥的红薯皮用粉碎机粉碎，过滤获取微米级的红薯皮粉末，备用；制备混合溶液：将体积百分比为50％～55％的红薯皮粉末与体积百分比为20％～25％的聚偏氟乙烯混合均匀，再加入体积百分比为20％～25％水充分搅拌，制成混合溶液；用掺杂氟的SnO2透明导电玻璃FTO做基片，基片的电阻是20，利用旋涂法将步骤三得到的混合溶液在基片导电的一面旋涂成薄膜作为器件的介电层；将制备好的带介电层的基片，在30℃的干燥箱里干燥12小时以上；将干燥之后的基片放入真空沉积设备，抽真空；通过直流溅射在介电层的表面沉积金属银(Ag)作为器件的上电极，工作气压为2pa，溅射电流为0.1A，溅射时间为10分钟，得到具有Ag/红薯皮/FTO结构的忆阻器件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体薄膜器件领域，具体涉及一种基于红薯皮为原材料的忆阻器件的制备方法。
背景技术
随着近年来电子设备技术的革命和对更高数据存储密度需求的日益增长，出现了各式各样的存储器件而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。存储器的特征尺寸很难缩小，因此Flash存储器制造面临无法继续缩小尺寸的问题，使其应用受到了很大的限制，发展也进入了瓶颈期。由于目前的存储器容量有限，存储资源利用率低，单位成本高，延展性差，平均访问时间较长。因此，非易失性有机电阻记忆装置已引起广泛关注。非易失性存储器技术迅速发展起来，它是数据存储系统的重要组成部分。一般来说，这些有机电子设备具有结构简单，可折叠，低成本，低功耗，多态特性，三维堆积能力等优点。另一方面，天然的生物材料，通常是环保的，生物兼容的，生物可降解的，已经引起了对可移植、生物兼容、可穿戴和绿色电子设备应用的极大兴趣。
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。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的电子器件的成本，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。具有尺寸微小，存取速度快功，率极低，长时间保存，非易失性等特点的有机材料制备的存储器，必将给未来的存储应用带来新的变化。比如有机材料的可移植，生物兼容性，以后可以运用在生物医学治疗医学中的一些疾病；对于发展人工智能(Artificial Intelligence)也是至关重要的。
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，由于半导体材料获取难，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，DNA，蛋清等。但是，蚕丝，蛋白质，DNA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红薯皮来制备忆阻器，无污染，可持续利用。因此，利用红薯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。之前，科研人员已经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共存现象很难在室温下稳定存在，而这将大大制约该材料的使用价值。对于我们制备的Ag/红薯皮/FTO结构的忆阻器件，它主要是由于Ag/红薯皮和红薯皮/FTO界面类似于平行板电容器的两个极板，可以进行循环充电和放电对存储数据的准确性有了很大的提高，使得器件可以长时间的工作而不受其他外加条件的影响。
研究室温下忆阻及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，为生物医学提供存储应用，为实现更优异的性能的电子器件提供新的途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种忆阻器的制备方法，它能有效地解决半导体材料对环境和人体危害的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种忆阻器件的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一、将准备好的红薯皮，通过日晒干燥，备用；
步骤二、将干燥的红薯皮，使用200目的粉碎机粉碎，研磨，过滤获取微米级的红薯皮粉末，备用；
步骤三、制备混合溶液：将体积百分比为50％～55％的红薯皮粉末与体积百分比为20％～25％的聚偏氟乙烯混合均匀，再加入体积百分比为20％～25％水充分搅拌，制成混合溶液；
步骤四、用掺杂氟的SnO2透明导电玻璃FTO做基片，基片的电阻是20Ω，利用旋涂法将步骤三得到的混合溶液在基片导电的一面旋涂成薄膜作为器件的介电层；
步骤五、将步骤四中得到的带介电层的基片，在30℃的干燥箱里干燥12小时以上；
步骤六、将步骤五中干燥之后的基片放入真空沉积设备，抽真空；
步骤七、通过直流溅射在介电层的表面沉积金属银作为器件的上电极，工作气压为2pa，溅射电流为0.1A，溅射时间为10分钟，得到具有Ag/红薯皮/FTO结构的忆阻器件。
所述基片采用具有导电薄膜的平整玻璃、石英的硬质材料。
所述介电层为在带有导电薄膜的玻璃基片上涂敷一层厚度为20μm±5的红薯皮粉末和聚偏氟乙烯的混合溶液干燥后得到。
所述上电极采用Ag或Ti，或者Cu金属电极均可。
所述通过分离法获取微米级的红薯粉末的具体方法为：首先，将收集到的红薯皮粉末，依次用去离子水，酒精及去离子水清洗后，置于容器中，然后将容器移至烘箱中，在30℃条件下干燥，使红薯皮干燥到恒重为止，然后将其从烘箱中拿出并将干燥的红薯皮进行粉碎，研磨，然后将研磨好的粉末分撒在酒精中，用铝膜进行过滤，在将过滤物进行二次干燥，将最终干燥好的红薯皮粉末，保存于30℃的干燥箱中，备用。
所述导电基片可以是金属薄片或导电薄膜。
所述上电极可以是银以外的金属或导电氧化物；介电层可以是红薯皮以外的其他植物的根、茎、果皮，比如莲藕、芋头……。
本发明的有益效果在于：本发明利用过滤法制备微米级的红薯皮粉末，并且在导电基片上制备红薯皮薄膜，利用了废物制备有用的电子器件，增加了废品利用，美化了环境；因此，本发明制备的忆阻器件能够实现废物的二次利用，制造成本非常低，同时制备成的器件具有较好的室温忆阻特性和电容特性，电容效应对数据读取和写入提供了更好的条件使得我们的器件可以应用于更重要的领域。
附图说明
图1为通过过滤法提取微米级红薯皮粉末及制备忆阻器件的流程图；
图2为提取的微米级红薯皮粉末的XRD图谱；
图3为制备的忆阻器件的忆阻效应表征电流—电压(I-V曲线)；
图4为用红薯淀粉制备器件的I-V曲线，表明了器件衰减的很快而且记忆窗口很小；
图5为用莲藕制备器件的I-V曲线，表明了器件在正偏压时记忆窗口很小，在负偏压是衰减的很快，稳定性较差；
图6为用芋头制备器件的I-V曲线，表明了器件衰减的很快，持续一段时间后记忆窗口一直减小直至消失；
图7为制备的具有Ag/红薯皮/FTO结构忆阻器件读写数据的电阻比随圈数变化的趋势；
图8为制备的具有Ag/红薯皮/FTO结构忆阻器件的持久性性能的表征。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
以下将参照附图，对本发明进行详细的描述。
图1为通过分离法提取微米级红薯皮粉末的流程图，并在导电基片上制备结构为Ag/红薯皮/FTO忆阻器件的流程图。如图1所示，结构为Ag/红薯皮/FTO忆阻器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将准备好的红薯皮，通过日晒干燥，备用；
步骤二、将干燥的红薯皮，使用200目的粉碎机粉碎，研磨，过滤获取微米级的红薯皮粉末，备用；
步骤三、制备混合溶液：将体积百分比为50％～55％的红薯皮粉末与体积百分比为20％～25％的聚偏氟乙烯混合均匀，再加入体积百分比为20％～25％水充分搅拌，制成混合溶液；
步骤四、用掺杂氟的SnO2透明导电玻璃FTO做基片，基片的电阻是20Ω，利用旋涂法将步骤三得到的混合溶液在基片导电的一面旋涂成薄膜作为器件的介电层；
步骤五、将步骤四中得到的带介电层的基片，在30℃的干燥箱里干燥12小时以上；
步骤六、将步骤五中干燥之后的基片放入真空沉积设备，抽真空；
步骤七、通过直流溅射在介电层的表面沉积金属银作为器件的上电极，工作气压为2pa，溅射电流为0.1A，溅射时间为10分钟，得到具有Ag/红薯皮/FTO结构的忆阻器件。
导电的一面旋涂成薄膜作为器件的介电层；
图2为提取的微米级红薯皮粉末的X射线衍射(XRD)图谱，由图可以看出提取出来的微米级红薯皮粉末的主要成分为葡聚糖(C6H10O5)。
图3为所制备忆阻器件的存储性能表征图，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，电化学工作站作为测试I-V曲线的主要装置，构成测试电路进行忆阻性能测试，测试电路的电压扫描范围为-5.0V到5.0V，最大限制电流为0.1A，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是用红薯淀粉制备器件的I-V曲线，表明了器件衰减的很快而且很不稳定，测试过程中使用-6.0V到6.0V电压扫描，工作电压也相对较大，稳定性没有直接使用红薯皮做的好，表明红薯皮制备的器件效果更好一点。
图5用莲藕制备器件的I-V曲线，表明了器件在正偏压时记忆窗口很小，在负偏压是衰减的很快，稳定性较差。因为莲藕属于水生植物，它的细胞间隙特别发达，还有特殊的通气组织，用莲藕制备的器件的致密度低，它的性能不稳定。
图6用芋头制备器件的I-V曲线，表明了器件衰减的很快，持续一段时间后记忆窗口一直减小直至消失。主要原因是因为芋头中含有的金属元素比较少，而且不稳定，因为通电过程中会产生热量，芋头的热稳定性差。
图7为具有Ag/红薯皮/FTO结构的忆阻器件的电阻—循环圈数趋势，由图可以看出，该忆阻器件的HRS与LRS的比率在不断的增大，在200多次循环后器件的LRS也是相当的稳定。
图8为该忆阻器件在-1.4V偏压下，电阻—持续时间图，由图可以看出，其开关在超过104秒之后，基本无任何衰减。
通过上述实验可以证明，制备得到的微米级的红薯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。
本发明中，导电基片不限于FTO导电玻璃，其它金属薄片或导电薄膜也可用于本发明；上电极也不限于银，其他金属或导电氧化物均可用于本发明；介电层也不局限于红薯皮，其他植物根、茎、果皮等经过适当处理均可用于本发明。
最后说明的是，以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实验已经对本发明进行了描述，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的范围。
Claims (4)
1.一种忆阻器件的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一、将准备好的红薯皮，通过日晒干燥，备用；
步骤二、将干燥的红薯皮，使用200目的粉碎机粉碎，研磨，过滤获取微米级的红薯皮粉末，备用；
步骤三、制备混合溶液：将体积百分比为50％～55％的红薯皮粉末与体积百分比为20％～25％的聚偏氟乙烯混合均匀，再加入体积百分比为20％～25％水充分搅拌，制成混合溶液；
步骤四、用掺杂氟的SnO2透明导电玻璃FTO做基片，基片的电阻是20Ω，利用旋涂法将步骤三得到的混合溶液在基片导电的一面旋涂成薄膜作为器件的介电层；
步骤五、将步骤四中得到的带介电层的基片，在30℃的干燥箱里干燥12小时以上；
步骤六、将步骤五中干燥之后的基片放入真空沉积设备，抽真空；
步骤七、通过直流溅射在介电层的表面沉积金属银作为器件的上电极，工作气压为2pa，溅射电流为0.1A，溅射时间为10分钟，得到具有Ag/红薯皮/FTO结构的忆阻器件。
2.根据权利要求书1中所述的一种忆阻器件的制备方法，其特征在于：所述基片采用具有导电薄膜的平整玻璃、石英的硬质材料。
3.根据权利要求书1中所述的一种忆阻器件的制备方法，其特征在于：所述介电层为在带有导电薄膜的玻璃基片上涂敷一层厚度为20μm±5的红薯皮粉末和聚偏氟乙烯的混合溶液干燥后得到。
4.根据权利要求书1中所述的种忆阻器件的制备方法，其特征在于：所述上电极采用Ag或Ti，或者Cu金属电极均可。
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