CN109560195B - 一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法及其在忆阻器的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法及其在忆阻器的应用,首先将二维MXene粉末和二甲基亚砜溶液超声混合均匀得到混合分散液,然后再利用甩胶的方法在具有疏水性的硅片生长了一层均匀致密的MXene薄膜,极大地扩展了MXene这种二维材料在硅基半导体器件上的应用前景。最后成功用这种方法制备出了以MXene为介变层的忆阻器单一器件,推动了忆阻器新型二维材料的介变层的研究进展。本发明制备出的均匀MXene薄膜,具有良好的稳定性、较高的导电性、稳定性、机械性能,所述方法简单、成本低廉、适合大规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法及其在忆阻器的应用,属于膜制备以及忆阻器器件技术领域。
背景技术
忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四类无源元件,是一个与磁通量和电荷相关的无源电路元件。早在1971年,国际非线性电路和细胞神经网络理论先驱:蔡少棠基于电路理论,从理论上预言了忆阻器的存在。2008年,惠普实验室首次在实验上构筑了忆阻器原型器件,证实了蔡少棠有关忆阻器的学说。忆阻器具有新颖的非线性电学性质,并兼具密度高、尺寸小、功耗低、非易失性等特点,被认为是发展下一代新型非易失性内存器的理想方案。
忆阻器的第一个实物是一种三明治结构,顶电极和底电极是惰性金属,阻变机理是基于掺杂氧空穴的二氧化钛。基于这种结构制作的忆阻器价格昂贵,难以得到很好商业应用。近些年来,忆阻器的阻变层正在被一个个性能卓越的二维材料所替代。
最近,一种二维材料材料MXene被成功开发出来,其具有较高的电子导电性,亲水性好,易制备等特点。由于它制备过程导致表面挂各种不同官能团,导致会呈现出类半导体的性质,被广泛地应用于电化学的研究,取得了令人瞩目的成绩。但是针对它与众不同的性质,将其作为忆阻器的核心器件,目前这方面研究比较稀少。此外,如何将MXene作为硅基忆阻器的核心阻变层,也需要一定探究,从而扩展MXene这种新材料在半导体器件的应用。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题,提出一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法及其在忆阻器的应用。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现:一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法,
该方法包括如下步骤:
S1:向10ml离心管中加入MXene粉末和二甲基亚砜溶液;
S2:将S1步骤得到的混合溶液进行超声混合,超声混合时间为30min,然后打开甩胶机将硅片放置于甩胶机上,转速设为200转,用胶头滴管将混合溶液的上清液匀速滴到硅片上;
S3:加大甩胶机转速,60s后关闭甩胶机,然后取出硅片进行加热烘干,得到均匀MXene薄膜。
优选地,在S1步骤中,所述MXene粉末和二甲基亚砜溶液的体积比为1%~10%。
优选地,所述MXene粉末是采用氢氟酸溶液处理MAX原料,反应完全后加入去离子水洗涤至中性,溶液剥离后得到的;其中MAX原料成分是Mn+1AXn,其中M为过渡金属,A为IIIA和IVA族元素,X为C或N中的一种或两种混合,
优选地,所述M为Ti或V,A为Al或Si。
优选地,在S2步骤中,将硅片放置于甩胶机中央。
优选地,在S3步骤中,所述甩胶机的转速范围为750转~4500转。
本发明还揭示了一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法制得的MXene薄膜的应用,所述MXene薄膜应用于忆阻器二端器件的制作,MXene薄膜用于忆阻器器件的介变层,制备出了结构为Cu/MXene/SiO2/W/Si单一结构的忆阻器件。
优选地,Cu、SiO2、W的生长方法均为物理气相沉积。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:本发明以硅为衬底,MXene在二甲基亚砜溶液中实现很好的分层,增加粘附性,解决了MXene水溶液很难在硅片生长的难题。这种MXene薄膜均匀性好,粘附性高,具有较强的导电性、机械性能,操作简单,成本低廉,利于大规模应用,拓展了MXene这种新材料在硅基半导体器件的应用。
附图说明
图1为本发明的各种条件MXene(Ti3C2)的薄膜金相显微镜图像。
图2为本发明的MXene(Ti3C2)粉末SEM图像。
图3为本发明的MXene(Ti3C2)粉末SEM图像。
图4为本发明的MXene(Ti3C2)粉末SEM图像。
图5为本发明的MXene(Ti3C2)薄膜制作流程图。
图6为本发明的MXene(Ti3C2)薄膜所做的忆阻器器件器件结构图。
图7为本发明的忆阻器器件测得的伏安特性曲线。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点,将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例,凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案,均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法,该方法包括如下步骤:
S1:向10ml离心管中加入一定比例的MXene粉末和二甲基亚砜溶液,其中MXene粉末和二甲基亚砜溶液的体积比为1%~10%;
S2:将S1步骤得到的混合溶液进行超声混合,超声混合时间为30min,然后打开甩胶机将硅片放置于甩胶机上,转速设为200转,用胶头滴管将混合溶液的上清液匀速滴到硅片上;
S3:加大甩胶机转速,60s后关闭甩胶机,然后取出硅片进行加热烘干,最后成功生长出了均匀MXene薄膜。
在S1步骤中,所述MXene粉末是采用氢氟酸溶液处理MAX原料,反应完全后加入去离子水洗涤至中性,溶液剥离后得到的;其中MAX原料成分是Mn+1XnTX,其中M是早期过渡金属,例如Ti,V,A为IIIA和IVA族元素,例如Al,Si,X为C或N中的一种或两种混合。
上述所有步骤都必须在超净间完成防止器件污染。这种镀膜方法也被应用于忆阻器二端器件的制作,将MXene薄膜作为忆阻器的介变层,成功通过PVD镀膜以及上述方法制成了Cu/MXene/SiO2/W/Si的忆阻器单一器件,通过IV循环测试测出了滞回曲线,实现了多阻态变化。
实施例1
先将0.3gTi3C2粉末和3ml二甲基亚砜溶液,体积比为10%,同时加到10ml离心管中,超声混合均匀30min。打开甩胶机,取清洗干净的硅片,启动甩胶机,转速设为200转。用胶头滴管将10ml离心管中的上清液,以每秒钟1滴速度滴在硅片中间,然后加快甩胶机转速至750转,60s后停掉甩胶机,然后取出硅片进行烘干,得到Ti3C2MXene薄膜如图1所示,所得MXene在硅片上薄膜扫描电镜形貌如图2所示,整个过程的流程图如图5所示
实施例2
将0.15gTi3C2粉末和3ml二甲基亚砜溶液,体积比为5%,同时加到10ml离心管中,超声混合30min。打开甩胶机,取清洗干净的硅片,启动甩胶机,转速设为200转。用胶头滴管用胶头滴管将10ml离心管中的上清液,以每秒钟1滴速度滴在硅片中间。然后加快甩胶机转速至2500转,60s后停掉甩胶机,然后取出硅片进行烘干,得到MXene薄膜如图1所示,所得MXene在硅片上薄膜扫描电镜形貌如图3所示。整个过程的流程图如图5所示。
实施例3
将0.03gTi3C2粉末和3ml二甲基亚砜溶液,体积比为1%,同时加到10ml离心管中,超声混合30min。打开甩胶机,取清洗干净的硅片,启动甩胶机,转速设为200转。用胶头滴管用胶头滴管将10ml离心管中的上清液,以每秒钟1滴速度滴在硅片中间,然后加快甩胶机转速至4500转,60s后停掉甩胶机,然后取出硅片进行烘干,得到MXene薄膜如图1所示,所得MXene在硅片上薄膜扫描电镜形貌如图4所示。整个过程的流程图如图5所示
总结:经过金相显微镜以及扫描电镜的图像分析处理,实施例1可以在硅上得到更为致密均匀的MXene薄膜,是更为优化的实施方案。
MXene均匀薄膜在硅基忆阻器器件的应用:
步骤1:采用洗净的硅片作为衬底,通过物理气相沉积,沉积一层W,厚度为80nm。
步骤2:在W的上面继续通过物理气相沉积镀一层SiO2,厚度为100nm。
步骤3:利用实施例1的方法在SiO2旋涂一层MXene薄膜,作为忆阻器器件的介变层。
步骤4:利用一层掩膜版,将铜电极镀在Si02表面作为整个器件的顶电极,厚度为80nm。制备得到的器件结构如图6所示,本步骤制备的器件的电流-电压曲线如图7所示。
本发明首先将二维MXene粉末和二甲基亚砜溶液超声混合均匀得到混合分散液,然后再利用甩胶的方法在具有疏水性的硅片生长了一层均匀致密的MXene薄膜,极大地扩展了MXene这种二维材料在硅基半导体器件上的应用前景。最后成功用这种方法制备出了以MXene为介变层的忆阻器单一器件,推动了忆阻器新型二维材料的介变层的研究进展。本发明制备出的均匀MXene薄膜,具有良好的稳定性、较高的导电性、稳定性、机械性能,所述方法简单、成本低廉、适合大规模应用。
本发明阐述了一种基于硅基半导体器件的均匀MXene薄膜的制备方法与其在忆阻器器件中的应用。首先将二维MXene粉末和二甲基亚砜溶液超声混合均匀得到混合分散液,然后再利用甩胶的方法在具有疏水性的硅片生长了一层均匀致密的MXene薄膜,极大地扩展了MXene这种二维材料在硅基半导体器件上的应用前景。最后成功用这种方法制备出了以MXene为介变层的忆阻器单一器件,推动了忆阻器新型二维材料的介变层的研究进展。本发明制备出的均匀MXene薄膜,具有良好的稳定性、较高的导电性、稳定性、机械性能,所述方法简单、成本低廉、适合大规模应用。
本发明尚有多种实施方式,凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案,均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法,其特征在于:
该方法包括如下步骤:
S1:向10ml离心管中加入MXene粉末和二甲基亚砜溶液;
S2:将S1步骤得到的混合溶液进行超声混合,超声混合时间为30min,然后打开甩胶机将硅片放置于甩胶机上,转速设为200转,用胶头滴管将混合溶液的上清液匀速滴到硅片上;
S3:加大甩胶机转速,60s后关闭甩胶机,然后取出硅片进行加热烘干,得到均匀MXene薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法,其特征在于:在S1步骤中,所述MXene粉末和二甲基亚砜溶液的体积比为1%~10%。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法,其特征在于:所述MXene粉末是采用氢氟酸溶液处理MAX原料,反应完全后加入去离子水洗涤至中性,溶液剥离后得到的;其中MAX原料成分是Mn+1 AXn,其中M为过渡金属,A为ⅢA和ⅣA族元素,X为C或N中的一种或两种混合。
4.根据权利要求3所述的一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法,其特征在于:所述M为Ti或V,A为Al或Si。
5.根据权利要求1所述的一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法,其特征在于:在S2步骤中,将硅片放置于甩胶机中央。
6.根据权利要求1所述的一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法,其特征在于:在S3步骤中,所述甩胶机的转速范围为750转~4500转。
7.根据权利要求1-6所述的任意一项基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法制得的MXene薄膜的应用,其特征在于:所述MXene薄膜应用于忆阻器二端器件的制作,MXene薄膜用于忆阻器器件的介变层,制备出了结构为Cu/MXene/SiO2/W/Si单一结构的忆阻器件。
8.根据权利要求7所述的一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法制得的MXene薄膜的应用,其特征在于:Cu、SiO2、W的生长方法均为物理气相沉积。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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