CN110190187B - 一种基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件及其制备方法，所述存储器件包括下电极、电活性中间层与上电极；电活性中间层是石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料，其厚度为100‑150nm。本发明先将金纳米粒子修饰在聚苯胺包覆石墨烯量子点的表面，再将石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料分散在聚乙烯醇中，通过旋涂得到石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料。在此复合材料中，聚苯胺有效降低石墨烯量子点与金纳米粒子的聚集，石墨烯量子点与金纳米粒子改善载流子的传输能力，聚苯胺与聚乙烯醇的氢键相互作用保证其他组分在聚乙烯醇中分散均匀，使得器件具有良好的存储性能。

Description

一种基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能复合材料、电子存储器件领域，尤其涉及一种基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件。
背景技术
存储器件是计算机、平板电脑、手机等存储数据和信息处理的重要部件，它能在运行过程中高速、自动地完成程序或数据的读出与写入。存储器件中采用有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据，记忆存储元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。目前新型的存储器件利用存储材料在不同的外加电场下，呈现出两种不同的电阻状态(高电阻与低电阻)，对应于二进制的两个数码“0”和“1”，从某一种状态到另一种状态的突变，并能将变化后的状态保持较长的时间，从而实现信息的存储。这类基于新型存储材料的器件已成为材料学与半导体等领域的研究热点。存储材料的发展趋势是大尺寸、高均匀性、以及薄膜化、多功能化和集成化。传统的铁电介质存储材料与硅材料通常需要利用化学气相方式沉积成膜，其制作工艺复杂，成本较高，而且难以实现分子结构的设计与调控，因此限制了其在存储器件领域的进一步应用。而高分子复合材料可进行分子结构设计，并通过溶液法制备得到，工艺设备相对简单。
石墨烯与金纳米粒子作为独特的纳米材料，具有优异的物理化学性能。但是由于石墨烯与金纳米粒子的比表面积很大，容易团聚，必须将其分散在溶液或其他基体中。如何实现石墨烯与金纳米粒子与其他材料在分子层次上的有效复合，减弱石墨烯与金纳米粒子的聚集情况，改善载流子在复合材料中的传输，优化调控存储器件的性能，需要开展进一步的研究。
有鉴于此，本发明提出一种基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件及其制备方法。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件及其制备方法，该存储器件的电活性中间层是石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料，在此复合材料中，聚苯胺有效降低石墨烯量子点与金纳米粒子的聚集，石墨烯量子点与金纳米粒子改善载流子的传输能力，聚苯胺与聚乙烯醇的氢键相互作用保证其他组分在聚乙烯醇中分散均匀，这些因素使得器件具有良好的存储性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件，包括下电极、电活性中间层与上电极；所述电活性中间层是石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料，所述电活性中间层的厚度为100-150nm。
所述基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件的制备方法，包括如下步骤：
1)通过化学方法制备石墨烯量子点；
2)分别将20-50mg石墨烯量子点、100μL苯胺、230mg过硫酸铵加入 10-20mLpH为1的盐酸水溶液中，在0-4℃下搅拌24-48小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺复合材料；
3)将10-20mg石墨烯量子点/聚苯胺复合材料加入含有表面活性剂的 100mL水中，再加入浓度为10mg/mL的高氯酸金水溶液1-2mL，在0-4℃下搅拌1-2小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料；
4)将20-40mg石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料加入体积为10-30mL浓度为10mg/mL的聚乙烯醇水溶液中，超声分散1-3小时后，将上述溶液以转速2000-3000转/分钟旋涂在下电极表面；
5)在旋涂完成的下电极表面，通过热蒸发得到厚度为100-150nm的金属铝作为上电极材料，即形成基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件。
作为上述技术方案的改进，进一步包括下列技术特征的部分或全部：
所述步骤3)中的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠或吐温80。
作为上述技术方案的改进，所述步骤4)的旋涂时间为30-60秒。
作为上述技术方案的改进，所述下电极为ITO导电玻璃、单晶硅、或表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
1)石墨烯量子点所含的羧基参与苯胺的聚合过程，实现聚苯胺对石墨烯量子点的包覆；
2)在表面活性剂的帮助下，高氯酸金与聚苯胺反应将金纳米粒子均匀修饰在聚苯胺表面；
3)聚苯胺有效降低石墨烯量子点与金纳米粒子的聚集；
4)聚苯胺与聚乙烯醇的氢键相互作用保证其他组分在聚乙烯醇中分散均匀；
5)聚乙烯醇作为介电层，石墨烯量子点与金纳米粒子作为导电组分改善载流子的传输能力；
6)本发明所述的存储器件具有良好的存储性能，其制备方法操作简单，原料易得。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明优选实施例1所制备的存储器件的电流-电压曲线；
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
实施例1：
1)按照文献报道(Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15,9907)，通过化学方法制备石墨烯量子点；
2)分别将25mg石墨烯量子点、100μL苯胺、230mg过硫酸铵加入10mL pH＝1的盐酸水溶液中，在0℃下搅拌24小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺复合材料；
3)将10mg石墨烯量子点/聚苯胺复合材料加入含有吐温80的100mL水中，再加入浓度为10mg/mL的高氯酸金水溶液1mL，在0℃下搅拌1小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料；
4)将20mg石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料加入体积为12mL 浓度为10mg/mL的聚乙烯醇水溶液中，超声分散1小时后，将上述溶液以转速 2000转/分钟旋涂在ITO导电玻璃表面，旋涂时间为30秒，石墨烯量子点/聚吡咯/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的厚度为100nm。；
5)在旋涂完成的ITO导电玻璃表面，通过热蒸发得到厚度为100nm的金属铝作为上电极材料，即形成基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件。
6)在室温环境下，通过探测仪器测试器件的电流-电压曲线，如图1所示，其开启电压约为1.1V，开关电流比约为5.6×104，表明该器件具有较好的存储效应
实施例2：
1)按照文献报道(Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15,9907)，通过化学方法制备石墨烯量子点；
2)分别将30mg石墨烯量子点、100μL苯胺、230mg过硫酸铵加入12mL pH＝1的盐酸水溶液中，在2℃下搅拌24小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺复合材料；
3)将15mg石墨烯量子点/聚苯胺复合材料加入含有十六烷基三甲基溴化铵的100mL水中，再加入浓度为10mg/mL的高氯酸金水溶液1.5mL，在2℃下搅拌2小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料；
4)将30mg石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料加入体积为20mL 浓度为10mg/mL的聚乙烯醇水溶液中，超声分散1.5小时后，将上述溶液以转速2000转/分钟旋涂在表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜表面，旋涂时间为50秒，石墨烯量子点/聚吡咯/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的厚度为150nm；
5)在旋涂完成的表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜表面，通过热蒸发得到厚度为120nm的金属铝作为上电极材料，即形成基于石墨烯量子点/ 聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件。
6)在室温环境下，通过探测仪器测试器件的电流-电压曲线，其开启电压约为1.0V，开关电流比约为7.8×104，表明该器件具有较好的存储效应
实施例3：
1)按照文献报道(Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15,9907)，通过化学方法制备石墨烯量子点；
2)分别将45mg石墨烯量子点、100μL苯胺、230mg过硫酸铵加入20mLpH 为1的盐酸水溶液中，在4℃下搅拌48小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺复合材料；
3)将18mg石墨烯量子点/聚苯胺复合材料加入含有十二烷基磺酸钠的 100mL水中，再加入浓度为10mg/mL的高氯酸金水溶液2mL，在4℃下搅拌2 小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料；
4)将38mg石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料加入体积为30mL 浓度为10mg/mL的聚乙烯醇水溶液中，超声分散3小时后，将上述溶液以转速 3000转/分钟旋涂在单晶硅表面，旋涂时间为40秒，石墨烯量子点/聚吡咯/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的厚度为120nm；
5)在旋涂完成的单晶硅表面，通过热蒸发得到厚度为110nm的金属铝作为上电极材料，即形成基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件。
6)在室温环境下，通过探测仪器测试器件，本器件具有较好的存储效应。
实施例4：
1)按照文献报道(Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15,9907)，通过化学方法制备石墨烯量子点；
2)分别将40mg石墨烯量子点、100μL苯胺、230mg过硫酸铵加入15mL pH＝1的盐酸水溶液中，在0℃下搅拌36小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺复合材料；
3)将15mg石墨烯量子点/聚苯胺复合材料加入含有吐温80的100mL水中，再加入浓度为10mg/mL的高氯酸金水溶液1mL，在0℃下搅拌2小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料；
4)将20mg石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料加入体积为10mL 浓度为10mg/mL的聚乙烯醇水溶液中，超声分散2小时后，将上述溶液以转速 3000转/分钟旋涂在ITO导电玻璃表面，旋涂时间为30秒，石墨烯量子点/聚吡咯/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的厚度为120nm。；
5)在旋涂完成的ITO导电玻璃表面，通过热蒸发得到厚度为140nm的金属铝作为上电极材料，即形成基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件。
6)在室温环境下，通过探测仪器测试器件，本器件具有较好的存储效应。
实施例5：
1)按照文献报道(Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15,9907)，通过化学方法制备石墨烯量子点；
2)分别将28mg石墨烯量子点、100μL苯胺、230mg过硫酸铵加入16mLpH 为1的盐酸水溶液中，在4℃下搅拌32小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺复合材料；
3)将16mg石墨烯量子点/聚苯胺复合材料加入含有十二烷基磺酸钠的 100mL水中，再加入浓度为10mg/mL的高氯酸金水溶液1mL，在4℃下搅拌1 小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料；
4)将25mg石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料加入体积为25mL 浓度为10mg/mL的聚乙烯醇水溶液中，超声分散2小时后，将上述溶液以转速 3000转/分钟旋涂在表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜表面，旋涂时间为60秒，石墨烯量子点/聚吡咯/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的厚度为130nm；
5)在旋涂完成的表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜表面，通过热蒸发得到厚度为110nm的金属铝作为上电极材料，即形成基于石墨烯量子点/ 聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件。
6)在室温环境下，通过探测仪器测试器件，本器件具有较好的存储效应。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件，其特征在于：包括下电极、电活性中间层与上电极；所述电活性中间层是石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料，所述电活性中间层的厚度为100-150nm；
所述存储器件的制备方法包括如下步骤：
1）通过化学方法制备石墨烯量子点；
2）分别将20-50mg石墨烯量子点、100μL苯胺、230mg过硫酸铵加入10-20mL pH为1的盐酸水溶液中，在0-4oC下搅拌24-48小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺复合材料；
3）将10-20mg石墨烯量子点/聚苯胺复合材料加入含有表面活性剂的100mL水中，再加入浓度为10mg/mL的高氯酸金水溶液1-2mL，在0-4oC下搅拌1-2小时，离心、洗涤、烘干后得到石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料；
4）将20-40mg石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子复合材料加入体积为10-30mL浓度为10mg/mL的聚乙烯醇水溶液中，超声分散1-3小时后，将上述溶液以转速2000-3000转/分钟旋涂在下电极表面；
5）在旋涂完成的下电极表面，通过热蒸发得到厚度为100-150nm的金属铝作为上电极材料，即形成基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠或吐温80。
3.如权利要求1所述的基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件的制备方法，其特征在于：所述步骤4）的旋涂时间为30-60秒。
4.如权利要求1所述的基于石墨烯量子点/聚苯胺/金纳米粒子/聚乙烯醇复合材料的存储器件的制备方法，其特征在于：所述下电极为ITO导电玻璃、单晶硅、或表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜。
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