CN109920909A - 基于二维MXene材料的忆阻器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于二维MXene材料的忆阻器件及其制备方法，所述忆阻器件包括从上至下依次排列的顶电极、阻变层和底电极，且所述阻变层、底电极与所述衬底的形状、尺寸一一匹配；所述阻变层包括介质层和敷设在该介质层上方的MXene材料膜，所述顶电极对称设置在所述MXene材料膜的顶部两端，所述底电极的顶部、底部分别与所述介质层、衬底相触接。该忆阻器件的导电性和稳定性佳，阻态更稳定，可用于多值存储，具有广阔的应用前景；此外，本发明的提供的忆阻器件的制备方法简便、高效，成本低，可广泛用于工业生产。

Description

基于二维MXene材料的忆阻器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种忆阻器件及其制备方法，具体涉及一种基于二维MXene材料的忆阻器件及其制备方法，属于类脑器件技术领域。

背景技术

忆阻器是一种基于电阻转变效应的二端口非线性无源电子器件，能够记忆流经的电荷量，具有结构简单、易于集成、擦写速度快、功耗低、可与CMOS（互补金属氧化物半导体）兼容组成hybrid混合单元等特点，具有较强的可扩展性和3D堆叠能力，忆阻器还具有与神经突触极相似的特性，因此在下一代非易失性存储器和神经网络方面有着较大的应用前景。非易失性存储器具有擦写速度快、功耗低及多值存储的特点，能够采用交叉阵列结构实现高密度存储。

MXene材料是一种二维的过渡族金属碳化物或氮化物，通过腐蚀MAX相材料中的A制得。MAX相材料的分子式为M_n+1AX_n（n=1，2，3），六方结构，M为前过渡金属，包括Ti、Nb、Ta、V、Mo、Cr和Zr，A为13主族元素或14主族元素，X为C和/或N。初步研究表明，MXene材料的原料廉价、不含贵金属，电子导电性优异，结构稳定，循环稳定佳，具有良好的电化学存储电荷的性质，是超级电容器和锂离子电池正极材料的理想选择。

忆阻器的研究主要由所采用的材料体系划分，目前最为成熟的是基于氧化物材料的体系，其工作机理主要依赖离子、氧空位在电场作用下迁移和聚集。显然，基于离子、氧空位迁移的过程比基于电子迁移的速度慢，且受到热效应的影响而使得阻态稳定性较差，随机性较大，限制了忆阻器在信息存储领域的应用和发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于二维MXene材料的忆阻器件及其制备方法，该忆阻器件的导电性和稳定性佳，阻态更稳定，可用于多值存储，具有广阔的应用前景；此外，本发明的制备方法简便、高效，成本低。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于二维MXene材料的忆阻器件，设置在衬底上，所述忆阻器件包括从上至下依次排列的顶电极、阻变层和底电极，且所述阻变层、底电极与所述衬底的形状、尺寸一一匹配；所述阻变层包括介质层和敷设在该介质层上方的MXene材料膜，所述顶电极通过掩膜板的开孔溅射在所述MXene材料膜的顶部，所述底电极的顶部、底部分别与所述介质层、衬底相触接。

进一步地，所述介质层为二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度为80nm。

进一步地，所述顶电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。

进一步地，所述顶电极的厚度为100nm。

进一步地，所述底电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。

进一步地，所述底电极的厚度为90nm。

进一步地，所述衬底为硅衬底层。

另一方面，本发明提供一种上述基于二维MXene材料的忆阻器件的制备方法，包括如下步骤：

S1）真空环境下，将衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积底电极，底电极均匀、完全覆盖在衬底上表面；

S2）保持步骤S1的真空环境，更换介质层溅射源，在所述底电极的上表面均匀、完全溅射出介质层；

S3）取MXene和去离子水按照1:150的质量比混合，搅拌5min-15min，制得MXene悬浊液；

S4）吸取步骤S3中MXene悬浊液的上层浊清液，滴在步骤S2的介质层上，通过甩胶机旋涂1min-3min，使得介质层的上表面均匀覆盖一MXene材料膜，制得阻变层；

S5）将步骤S4旋涂后制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取顶电极材料的溅射源，并溅射沉积得到顶电极，从而制备获得基于MXene材料的忆阻器件。

进一步地，所述甩胶机的转速为3500r/min。

再一方面，本发明提供一种结构为铜/MXene/二氧化硅/钨的忆阻器件的制备方法，包括如下步骤：

S1）真空环境下，将硅衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取钨作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积得到厚度为90nm的钨电极，钨电极均匀、完全覆盖在硅衬底的上表面；

S2）保持步骤S1的真空环境，更换二氧化硅溅射源，在钨电极的上表面均匀、完全溅射出厚度为80nm的二氧化硅介质层；

S3）取MXene和去离子水按照1:150的质量比混合，搅拌10min，制得MXene悬浊液；

S4）吸取步骤S3中MXene悬浊液的上层浊清液，滴在二氧化硅介质层上，通过甩胶机旋涂2min，甩胶机转速为3500r/min，使得二氧化硅介质层的上表面均匀覆盖一MXene材料膜，从而制得阻变层；

S5）将步骤S4旋涂后制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取铜作为溅射源，并溅射沉积得到厚度为100nm的铜电极，从而制备获得该结构为铜/MXene/二氧化硅/钨的忆阻器件。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的基于二维MXene材料的忆阻器件及其制备方法，主要通过在其氧化物介质层之上覆盖一层MXene材料膜构成阻变层，MXene材料膜在二氧化硅表面呈团簇状并与二氧化硅介质层结合形成hybrid单元，利于导电细丝的生长，根据阻变器件的导电细丝模型，MXene材料膜提高了阻变层及整个忆阻器件的导电性和稳定性，使得忆阻器件阻态更稳定且可用于多值存储，具有广阔的应用前景。此外，本发明提供的忆阻器件的制备方法简便、高效，成本低，可广泛用于工业生产。

附图说明

图1是本发明忆阻器件的结构示意图；

图2是本发明忆阻器件在10uA时的I-V曲线图；

图3是基于氧化物材料的忆阻器件在10uA时的I-V曲线图；

图4是本发明忆阻器件10uA限流下1000个cycles中（0.1V）的阻态图；

图5是本发明忆阻器件10uA限流下1000个cycles中（-0.1V）的阻态图；

图6是基于氧化物材料的忆阻器件10uA限流下650个cycles中（0.1V）的阻态图；

图7是基于氧化物材料的忆阻器件10uA限流下650个cycles中（-0.1V）的阻态图；

图8是本发明同一忆阻器件10uA限流下1000个cycles中0.1V-0.8V的阻态对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。

本发明提供一种基于二维MXene材料的忆阻器件，属于导电细丝模型，其结构如图1所示，设置在衬底5上，所述衬底5为硅衬底层，该忆阻器件包括从上至下依次触接排列的顶电极（阳极）1、阻变层和底电极（阴极）4，其中，顶电极与底电极用于与外部电源进行电连接，二者的材质可以相同，也可以不同，均分别为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。本发明的顶电极和底电极均通过PVD（物理气相沉积）方法制得。图1中示出，阻变层、底电极4与衬底5三者的形状和尺寸一一匹配、对应相同。

阻变层用于实现阻态之间的转换，包括介质层3，以及均匀、完全覆盖敷设在该介质层3上方的MXene材料膜2，所述介质层为二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度为80nm，同样通过PVD方法制得。

所述顶电极1的厚度为100nm，所述顶电极通过掩膜板的开孔溅射在所述MXene材料膜的顶部；所述底电极4的厚度为90nm，其顶部与所述介质层3触接，所述底电极4的底部与衬底5相触接。

本发明还提供一种上述忆阻器件的制备方法，包括如下步骤：

S1）底电极沉积：真空环境下，将衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积底电极，底电极均匀、完全覆盖在衬底上表面；

S2）介质层溅射：保持步骤S1的真空环境，更换介质层溅射源，在所述底电极的上表面均匀、完全溅射出介质层；

S3）MXene悬浊液制备：取MXene和去离子水按照1:150的质量比混合，搅拌5min-15min，制得MXene悬浊液；

S4）阻变层制备：吸取步骤S3中MXene悬浊液的上层浊清液，滴在步骤S2的介质层上，通过甩胶机旋涂1min-3min，所述甩胶机的转速为3500r/min，使得介质层的上表面均匀覆盖一MXene材料膜，制得阻变层；

S5）顶电极溅射：将步骤S4旋涂后制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取顶电极材料的溅射源，并溅射沉积得到顶电极，从而制备获得基于MXene材料的忆阻器件。

由此可知，上述制备方法简便、高效，成本较低，可用于工业生产。

实施例1

一种结构为铜/MXene/二氧化硅/钨的忆阻器件，其制备方法包括如下步骤：

S1）真空环境下，将硅衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取钨作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积得到厚度为90nm的钨电极，钨电极均匀、完全覆盖在硅衬底的上表面；

S2）保持步骤S1的真空环境，更换二氧化硅溅射源，在钨电极的上表面均匀、完全溅射出厚度为80nm的二氧化硅介质层；

S3）取MXene和去离子水按照1:150的质量比混合，搅拌10min，制得MXene悬浊液；

S4）吸取步骤S3中MXene悬浊液的上层浊清液，滴在二氧化硅介质层上，通过甩胶机旋涂2min，甩胶机转速为3500r/min，使得二氧化硅介质层的上表面均匀覆盖一MXene材料膜，从而制得阻变层；

S5）将步骤S4旋涂后制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取铜作为溅射源，并溅射沉积得到厚度为100nm的铜电极，从而制备获得结构为铜/MXene/二氧化硅/钨的忆阻器件。

本发明制备的上述忆阻器件，主要通过在其氧化物阻变层之上覆盖一层MXene材料膜，MXene材料膜能在二氧化硅表面呈团簇状并与之结合形成hybrid单元，利于导电细丝的生长。

通过对不同忆阻器件I-V曲线图和多阻态图的对比分析，并与传统的基于氧化物材料的忆阻器件相对比，具体说明本发明具体实施例1中制备的忆阻器件，其技术效果如下：

对忆阻器件施加直流电压时，将顶电极接电源正极同时将底电极接地并对其施加电压。当施加正电压时，电压从0V扫到设定的正电压再从设定的正电压扫回到0V，在这个过程中，忆阻器件的介质层受电压激励而发生电阻转变效应，忆阻器件开启，由高阻态转变为低阻态，即SET过程，此时保存下的电压电流数据可测得SET过程对应的I-V曲线；RESET过程中将电压从0V扫到设定的负电压再从设定负电压扫到0V，次过程中忆阻器件受反向电压刺激而从低阻态转变回高阻态，同样可测得对应的I-V曲线。忆阻器件的I-V曲线形态越一致，表明其稳定性越佳。

图2是本发明忆阻器件在10uA时的I-V曲线图。将SET过程中的正向扫描-停止电压设置为0V至2V，步幅为5mV。RESET过程中的反向扫描-挺扫描停止电压设置为0V至-2V，步幅为-5mV。正向反向均为双向扫描，并将上述扫描过程循环100次。由图中可知，在后1000个cycles（循环）中，本发明的忆阻器件表现出高度的稳定性，每一个循环的I-V曲线都大致相同，并且到达限流的电压基本都在0.6V左右。

图3是传统的基于氧化物材料的忆阻器件在10uA时的I-V曲线图。在10uA限流下，尽管该忆阻器件表现出与本发明忆阻器件相似的特性曲线，但是无法达到本发明忆阻器件在后1000个cycles的稳定性；且该器件此时且到达限流的电压大约在0.7V左右，大于本发明忆阻器件的0.6V，功耗较高。因此相较于传统器件含有MXene材料的忆阻器功耗更低。

结合图2和图3可知，本发明的忆阻器件稳定性更好，功耗更低。

图4和图5分别是本发明忆阻器件10uA限流下1000个cycles中（0.1V和-0.1V）的阻态图。由图中可知，10uA限流下的后1000个cycles中，本发明忆阻器件表现出较稳定的直流特性，尤其是前750个cycles，本发明忆阻器件低阻态时的阻值大约在106Ω左右，而在高阻态时大约在107Ω左右，开关比大概在10倍左右。750个cycles以后，低阻态的阻值略微下降，高阻态的阻值在107Ω-108Ω之间波动，开关窗口有所增大。在1000次开关中的稳定性同时也表明了本发明忆阻器件在该限流下的耐久性较好，开关次数足够大，可以稳定存储数据，并且10倍的开关比也能较好地区分高低阻态，本发明忆阻器件存储的准确性较佳。

RESET过程的-0.1V处，阻态的变化也与SET过程类似，前800个cycles器件的低阻态阻值大约在5E+06Ω左右，高阻态阻值大约在5E+07Ω附近，800个cycles以后器件高低阻态的阻值都有略有增大，在OFF状态时器件的阻值大约在5E+07Ω-1E+08Ω之间。反向过程的开关比要比正向过程大，大概在100倍左右。

图6和图7分别是是基于氧化物材料的忆阻器件10uA限流下650个cycles中（0.1V和-0.1V）的阻态图。由图中可知，该忆阻器件在10uA限流下的650个cycles中表现出了较大的波动性。前100个cycles器件有明确的两个阻态，低阻态大约在105Ω左右，高阻态大约在107Ω左右，开关比高达100倍；100-200个cycles左右，该器件的ON和OFF状态有重合部分，存在未正常开启的忆阻器件；200-300个cycles器件开关窗口略有变大，阻值在ON状态大约在5E5Ω左右，而在OFF状态大约在106Ω-107Ω附近，开关比约为10倍；300-400个cycles左右，存在阻态重合在一起、未正常开启的忆阻器件；400-650个cycles忆阻器件重新恢复稳定，阻值在低阻态大约为105Ω-106Ω左右，而在OFF状态大约为107Ω-108Ω左右，开关比也恢复到100倍左右。RESET过程中，阻态重合部分多，其中，50-200个cycles和300-400个cycles阻态重合。

结合图4-6可知，本发明的忆阻器件阻态更稳定。

图8是本发明同一忆阻器件10uA限流下1000个cycles中0.1V-0.8V的阻态对比图。由上述可知，本发明基于MXene材料的忆阻器件，在10uA的1000个循环中表现出优良的稳定性，因此在该限流下的I-V数据中，每隔0.1V提取其Ron和Roff，从0.1V提取至0.8V。图8中可观察到至少6个不同的阻态，且互相之间不重合，故可以用于多值存储。由此可知，本发明忆阻器件具有阻态多的特性。

综上所述，本发明提供的基于二维MXene材料的忆阻器件及其制备方法，主要通过在其氧化物介质层之上覆盖一层MXene材料膜构成阻变层，MXene材料膜在二氧化硅表面呈团簇状并与二氧化硅介质层结合形成hybrid单元，利于导电细丝的生长，根据阻变器件的导电细丝模型，MXene材料膜提高了阻变层及整个忆阻器件的导电性和稳定性，使得忆阻器件阻态更稳定且可用于多值存储，具有广阔的应用前景。此外，本发明提供的忆阻器件的制备方法简便、高效，成本低，可广泛用于工业生产。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

Claims (10)

1.一种基于二维MXene材料的忆阻器件，设置在衬底上，其特征在于：所述忆阻器件包括从上至下依次排列的顶电极、阻变层和底电极，且所述阻变层、底电极与所述衬底的形状、尺寸一一匹配；所述阻变层包括介质层和敷设在该介质层上方的MXene材料膜，所述顶电极通过掩膜板的开孔溅射在所述MXene材料膜的顶部，所述底电极的顶部、底部分别与所述介质层、衬底相触接。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维MXene材料的忆阻器件，其特征在于：所述介质层为二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度为80nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维MXene材料的忆阻器件，其特征在于：所述顶电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。

4.根据权利要求3所述的一种基于二维MXene材料的忆阻器件，其特征在于：所述顶电极的厚度为100nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于二维MXene材料的忆阻器件，其特征在于：所述底电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。

6.根据权利要求5所述的一种基于二维MXene材料的忆阻器件，其特征在于：所述底电极的厚度为90nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于二维MXene材料的忆阻器件，其特征在于：所述衬底为硅衬底层。

8.权利要求1所述的一种基于二维MXene材料的忆阻器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1）真空环境下，将衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积底电极，底电极均匀、完全覆盖在衬底上表面；

S2）保持步骤S1的真空环境，更换介质层溅射源，在所述底电极的上表面均匀、完全溅射出介质层；

S3）取MXene和去离子水按照1:150的质量比混合，搅拌5min-15min，制得MXene悬浊液；

S4）吸取步骤S3中MXene悬浊液的上层浊清液，滴在步骤S2的介质层上，通过甩胶机旋涂1min-3min，使得介质层的上表面均匀覆盖一MXene材料膜，制得阻变层；

S5）将步骤S4旋涂后制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取顶电极材料的溅射源，并溅射沉积得到顶电极，从而制备获得基于MXene材料的忆阻器件。

9.根据权利要求8所述的一种基于二维MXene材料的忆阻器件的制备方法，其特征在于：所述甩胶机的转速为3500r/min。

10.一种基于二维MXene材料的忆阻器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1）真空环境下，将硅衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取钨作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积得到厚度为90nm的钨电极，钨电极均匀、完全覆盖在硅衬底的上表面；

S2）保持步骤S1的真空环境，更换二氧化硅溅射源，在钨电极的上表面均匀、完全溅射出厚度为80nm的二氧化硅介质层；

S3）取MXene和去离子水按照1:150的质量比混合，搅拌10min，制得MXene悬浊液；

S4）吸取步骤S3中MXene悬浊液的上层浊清液，滴在二氧化硅介质层上，通过甩胶机旋涂2min，甩胶机转速为3500r/min，使得二氧化硅介质层的上表面均匀覆盖一MXene材料膜，从而制得阻变层；

S5）将步骤S4旋涂后制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取铜作为溅射源，并溅射沉积得到厚度为100nm的铜电极，从而制备获得结构为铜/MXene/二氧化硅/钨的忆阻器件。