CN108878642B - 一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二维材料‑有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备，其制备方法具体为：a)取由衬底(1)、介质层(2)和多层二维材料(31)复合而成的器件结构浸入到含有机铁磁材料(32)的电解质溶液中；b)在多层二维材料(31)上制作三电极体系并施加负电压，使带正电荷的有机铁磁材料(32)被嵌入到多层二维材料(31)中，形成超晶格(3)；c)再在超晶格(3)两端设置金属电极，即完成。与现有技术相比，本发明采用电化学分子插层技术开发一类二维材料和铁磁材料相互交替的稳定超晶格材料，超晶格内铁磁材料形成的电磁容量形成并联状态，提高了存储单元的电容量和集成密度，同时具有稳定性好、操作电压低、功耗小及成本低等特点。

Description

一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其是涉及一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备。
背景技术
磁性半导体材料不仅具有半导体材料的功能，同时还具备了磁性存储的功能；可以通过操作半导体中的电子电荷和电子自旋两个自由度进行信息的加工处理与存储，不仅可以缩小器件体积，提高储存密度，缩短通信时间，加快运行速度，而且可以大大减少耗能。
发明内容
本发明的目的提供一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备，采用一种电化学分子插层技术，开发一类二维材料和铁磁材料相互交替的稳定超晶格材料。超晶格内铁磁材料形成的电磁容量是并联状态，提高了存储单元的电容量和集成密度，同时具有稳定性好、操作电压低、功耗小及成本低等特点。
二维纳米材料已成为新一代高性能纳米材料，是国际前沿研究的核心材料之一。以单层MoS2为例，其电子迁移率在室温下可以达到200cm2/Vs，开关比高达1×108。同时，在获得同样效果的电子运动时，MoS2比Si更轻薄。在稳定状态下耗能比Si晶体管小十万倍。使用MoS2制成的存储器件具有优异的存储性能。同时基于二维材料具有可弯曲、易折叠的特性，因此可以实现大面积柔性集成电路所需要的柔性存储，此外，它具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，有利于器件电学性能的提高。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提出了一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元，至少包括衬底、生长在衬底上的介质层，复合在介质层上的超晶格，所述超晶格由多层二维材料和插入多层二维材料的各单层之间的有机铁磁材料组成，所述超晶格的两端分别生长有金属电极。
进一步的，所述的衬底的材料为硅、超薄玻璃、高分子聚合物或金属箔片等，也可以为柔性衬底。
进一步的，所述的介质层为二氧化硅，BaTiO3，也可以为有机材料或透明塑料等柔性介质。
进一步的，所述的介质层的厚度为20-150nm。
进一步的，所述的多层二维材料为厚度1nm以上的黑磷、二硫化钨、二硫化钼、二碲化钼、二硒化钨、硒化铟、硒化锡或硫化锗等，也可以是其他二维半导体材料，主要通过转移或者化学气相沉积方法覆盖在介质层上。
进一步的，所述的有机铁磁材料为二茂铁型有机高分子材料、P-NPNN及其类似物、DATA或m-PDPC。
进一步的，所述的金属电极的材料为金、银、铝或钛，其厚度为10-200nm。
本发明通过将不同类型的具有各种尺寸和对称性铁磁材料分子插入到一系列二维材料中，可以创建一大类超晶格材料。通过改变插入的分子类型，可以实现对这些新型超晶格结构和组成的调整，从而实现各种不同性能的存储器单元。同时，因铁磁材料和二维材料形成的超晶格结构，处于并联状态，提高了存储单元的电磁容量和集成密度，操作电压低，功耗小。同时，由于有机铁磁材料和二维材料具有可弯曲、易折叠的特性，实现大面积柔性集成电路所需要的柔性存储，此外，它具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，有利于器件电学性能的提高。
本发明的目的之二在于提出了上述目的一中的二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，包括以下步骤：
a)取由衬底、介质层和多层二维材料复合而成的器件结构浸入到含有机铁磁材料的电解质溶液中；
b)在多层二维材料上制作工作电极、位于多层二维材料上方的电解质溶液中制作对电极和参比电极，同时，在多层二维材料上施加负电压，负电压使得带负电的电子被注入到二维材料中上，进而使得带正电荷的有机铁磁材料被吸入多层二维材料中，并与多层二维材料层形成所述超晶格；
c)再在超晶格两端设置金属电极，即完成。
进一步的，步骤b)中，所述的对电极的材料为铂，所述的参比电极为银/氯化银。
进一步的，步骤b)中，施加的电压范围为3-10V。
本发明在多层二维材料上采用电化学有机分子插入技术在二维材料层间插入有机铁磁分子，并与二维材料原子层相互交替，形成超晶格结构。当超晶格垂直方向上加磁场后，有机铁磁材料磁化，磁距方向一致，信息被存储。磁场去除后，铁磁材料的磁矩仍然存在，当在两个金属电极加电压后，存储信息被读出，形成电流。该存储器件单元工艺简单，存在多层存储介质，存储密度高，在存储领域具有潜在的应用价值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)铁磁材料形成的存储容量是处于并联状态，提高了存储单元的电磁容量和集成密度，操作电压低，功耗小。
(2)具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，相对于硅基存储器件而言，柔性存储器件在更广泛的领域内可以满足许多特殊的需求，例如柔性显示、智能交互以及柔性生物电子等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为超晶格的结构示意图。
图中，1-衬底，2-介质层，3-超晶格，31-多层二维材料，32-有机铁磁材料，4-金属电极A，5-金属电极B。
具体实施方式
下文结合特定实例说明的实施方式，此处的实施例及各种特征和有关细节将参考附图中图示以及以下描述中详述的非限制性实施例而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的使此处的实施例难以理解。在制作所述结构时，可以使用半导体工艺中众所周知的传统工艺。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元，其结构参见图1所示，包括衬底1、生长在衬底1上的介质层2，复合在介质层2上的超晶格3，超晶格3由多层二维材料31和插入多层二维材料31的各单层之间的有机铁磁材料32组成，超晶格结构如图2所示，超晶格3的两端分别生长有金属电极，分别为金属电极A4和金属电极B5。
上述超晶格存储器单元的制备方法如下：
首先，采用多晶硅为衬底1，在衬底1上生长一层二氧化硅层(即为介质层2)，厚度为50nm。
然后，采用机械剥离法制备一层二硫化钼，厚度为2nm，通过转移技术转移在上述二氧化硅层上。
接着，将多晶硅衬底1、二氧化硅介质层2和多层二硫化钼组成的器件结构浸入到含有二茂铁型有机高分子材料的电解质溶液中。
随后，在二硫化钼上制作工作电极，并在电解质溶液中制作对电极和参比电极。对电极材料为铂，参比电极为银。
随之，在工作电极上施加负电压，电压为4V。二茂铁的正离子基团被吸引到二硫化钼中，并被插入到二硫化钼各单层之间。二硫化钼的多层结构变成单层结构。二硫化钼的各单层和有机铁磁层形成超晶格3。
之后，将器件结构从电化学溶液中取出并清洗。
最后，再由磁控溅射方法淀积一层200nm厚的金铬膜，然后通过剥离工艺形成两个金电极，即金属电极A4和金属电极B5。
实施例2
一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元，其结构与实施例1中相同，除了制备方法改为：
首先，采用高分子聚合物为衬底1，并清洗衬底1。
然后，在高分子聚合物上淀积一层高介电常数的KDP(磷酸二氢钾)介质层2，介质层2厚度为60nm。
之后，在KDP介质层2上采用CVD法(化学气相沉积法)直接生长一层多层二碲化钼，厚度为2nm。通过转移技术转移到KDP介质层2上。
之后，将衬底1、KDP介质层2和二碲化钼组成的器件结构浸入到含有磁性的DATA的电解质溶液中。
随后，二碲化钼上制作工作电极，并在电解质溶液中制作对电极和参比电极。对电极材料为铂，参比电极为银/氯化银。
随之，在工作电极上施加负电压，电压为7V。DATA的正离子基团被吸引到二碲化钼中，并被插入到二碲化钼的各单层之间。二碲化钼的各单层和有机铁磁层形成超晶格3。
之后，将器件结构从电化学溶液中取出并清洗。
再由电子束蒸发的方法淀积一层100nm厚的金属铝膜，然后通过剥离工艺制成金属形成两个金属电极。
此实施例中，所用材料均为柔性材料，实施例可用于柔性存储应用中。
实施例3
一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元，其结构与实施例1中相同，除了制备方法改为：
首先，采用超薄玻璃为衬底材料，并清洗衬底1。
然后，在超薄玻璃衬底上淀积一层高介电常数的BaTiO3介质层2，介质层2厚度为40nm。
然后，采用化学液相合成法制备一层多层二维材料二硫化钨，厚度为3nm。通过转移技术转移在BaTiO3层上。
之后，将超薄玻璃、BaTiO3介质层和WS2组成的器件结构浸入到含有磁性的m-PDPC的电解质溶液中。
随后，在二硫化钨上制作工作电极，并在电解质溶液中制作对电极和参比电极。对电极材料为铂，参比电极为银/氯化银。
随之，在工作电极上施加负电压，电压为10V。m-PDPC的正离子基团被吸引到二硫化钨中，并被插入到二硫化钨的各单层之间。二硫化钨的各单层和有机磁性材料层形成超晶格3。
之后，将器件结构从电化学溶液中取出并清洗。
再由热蒸发的方法淀积一层100nm厚的金属钛膜，然后通过剥离工艺制成金属形成两个金属电极。
实施例4-8
与实施例1有所不同的是，本实施例中多层二维材料分别替换为黑磷、二硒化钨、硒化铟、硒化锡或硫化锗。
实施例9
与实施例1有所不同的是，本实施例中衬底材料改为选用金属箔片。电极为银金属材料，厚度为10nm。
实施例10
与实施例1有所不同的是，本实施例中有机铁磁材料32改为选用P-NPNN。电极为铝金属材料，厚度为200nm。
实施例11
与实施例1有所不同的是，本实施例中在工作电极上施加的负电压为3V。
实施例12
与实施例1有所不同的是，本实施例中介质层2的厚度为20nm。电极为钛金属材料，厚度为100nm。
实施例13
与实施例1有所不同的是，本实施例中介质层2的厚度为150nm。
上述各实施例中制得的存储器单元均带有铁磁材料和二维材料形成的超晶格结构，且与同制备条件下的未嵌入有机铁磁材料的常规存储器单元而言，本发明上述各实施例的电容和集成密度明显提高，操作电压低，功耗小。同时，由于有机铁磁材料和二维材料具有可弯曲、易折叠的特性，因此可以实现大面积柔性集成电路所需要的柔性存储，此外，它具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，有利于器件电学性能的提高。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，该超晶格存储器单元至少包括衬底(1)、生长在衬底(1)上的介质层(2)，复合在介质层(2)上的超晶格(3)，所述超晶格由多层二维材料(31)和插入多层二维材料(31)的各单层之间的有机铁磁材料(32)组成，所述超晶格(3)的两端分别生长有金属电极；
该制备方法包括以下步骤：
a)取由衬底(1)、介质层(2)和多层二维材料(31)复合而成的器件结构浸入到含有机铁磁材料(32)的电解质溶液中；
b)在多层二维材料(31)上制作工作电极、位于多层二维材料(31)上方的电解质溶液中制作对电极和参比电极，再在多层二维材料(31)上施加负电压，使带正电荷的有机铁磁材料(32)嵌入多层二维材料(31)中，并与多层二维材料层形成所述超晶格(3)；
c)再在超晶格(3)两端设置金属电极，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，所述的衬底(1)的材料为硅、超薄玻璃、高分子聚合物或金属箔片。
3.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，所述的介质层(2)为二氧化硅、BaTiO3、有机材料或透明塑料。
4.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，所述的介质层(2)的厚度为20-150nm。
5.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，所述的多层二维材料(31)为厚度1nm以上的黑磷、二硫化钨、二硫化钼、二碲化钼、二硒化钨、硒化铟、硒化锡或硫化锗。
6.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，所述的有机铁磁材料(32)为二茂铁型有机高分子材料、P-NPNN及其类似物、DATA或m-PDPC。
7.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，所述的金属电极的材料为金、银、铝或钛，其厚度为10-200nm。
8.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述的对电极的材料为铂，所述的参比电极为银/氯化银。
9.根据权利要求1所述的一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元的制备方法，其特征在于，步骤b)中，施加的电压范围为3-10V。
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