CN111933794A - 基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器及其制备方法，其结构由下至上依次包括衬底层、底电极层、二硫化钼‑聚合物‑锂盐凝胶层、顶电极层；其特征在于：所述二硫化钼‑聚合物‑锂盐凝胶层是作为阻变层，层状的二硫化钼均匀分散在聚合物中，为锂离子和电子提供存储位点，顶电极厚度为50‑100nm，底端电极厚度为30‑100nm，阻变层的厚度为100‑300nm。本发明具有如下优点：在单一器件中存在模拟和数字忆阻行为共存的现象，并且存在多态存储、阈值电压小的忆阻器。该结构表现出的模拟和数字型共存的忆阻行为，为实现可调控的神经形态学习提供了一个可行的方案，促进类脑型形态计算的发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器及其制备方法，且该忆阻器存在单一器件中模拟和数字忆阻行为共存的现象，且多阻态，阈值电压小的忆阻特性，属于类脑计算器件技术领域。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，人类社会已经进入了大数据时代，数据信息呈现出爆炸式增长，信息系统也在追求越来越高的数据处理效率，来解决规模越来越大的数据运算问题。然而，在基于冯·诺依曼架构的传统计算机，处理器与存储器是分立的，有限的总线传输速度限制了数据的存储和运算速度，从而导致出现冯·诺依曼瓶颈。限制了利用传统计算机来实现人脑神经网络的强大运算能力和学习能力。在目前的研究中，忆阻器是一种MIM(金属-绝缘体-金属)两端器件，器件结构和突触的基本结构类似。并且忆阻器因其阻值可随流经电荷而发生动态变化，具有与生物突触相似的信号传输特征，被认为是发展人工神经突触的理想选择。单个忆阻器可用于模拟神经突触，取代之前复杂CMOS突触电路，在能耗、具有多阻态特性和效率方面能够实现大幅优化，被认为是模拟神经突触的完美器件。
目前，忆阻器按照电导的变化方式可分为模拟型忆阻器和数字型忆阻器。在忆阻神经网络结构中，混合使用模拟型和数字型器件，可以获得精度和速度连续可调的图像识别过程。在单一器件中同时存在模拟型和数字型忆阻器，为实现可调控的神经形态学习提供了一个可行的方案，促进类脑型形态计算的发展。然而，目前在二硫化钼基忆阻器的研究中，还没有实现低阈值电压，多阻态特性的模拟型和数字型忆阻器共存现象，没有使用这种现象对模式识别目应用进入深入研究。
发明内容
发明目的
针对忆阻器目前存在的问题，本发明在二硫化钼-聚合物纳米复合材料中引入锂盐，形成了在单一器件中模拟和数字忆阻现象共存，为忆阻器忆阻机理的探究提供了新的路径，通过调控锂盐的浓度可提升忆阻器的电学性能，在人工突触的模拟方面表现出良好的特性，为神经形态计算提供了很大的应用前景。
技术方案
为实现发明目的，本发明采用以下技术方案，如图2所示：
本发明所述一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器及其制备方法，其基本结构由下至上依次包括衬底层、底电极层202、二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶层101、顶电极层201；其特征在于：所述二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶层是作为阻变层，层状的二硫化钼均匀分散在聚合物中，为锂离子和电子提供存储位点，并在施加不同强度的电场下，可调控锂离子和电子的输运。撤去外电场，可存住储锂离子和电子。顶电极厚度为50-100nm；底端电极厚度为30-100nm；中间阻变层是由二硫化钼-聚合物-锂盐按照一定的质量比形成，阻变层的厚度为100-300nm。
所述的衬底层为SiO2和玻璃衬底，
所述的底电极层202包括各种惰性金属以及导电玻璃，具体为铂(Pt)、金(Au)以及氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的SnO2导电玻璃(FTO)中的一种。
所述的阻变层101是二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶薄膜。
所述的阻变层中的聚合物为聚乙烯醇(PVA),聚乙烯基咔唑(PVK),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等其中的一种。
所述的阻变层中的锂盐为高氯酸锂(LiClO4)，氯化锂(LiCl)，碳酸锂(Li2CO3)，高锰酸锂(LiMnO4)中的一种。
所述的阻变层中二硫化钼MoS2是由液相玻璃法制备的半导体相的MoS2纳米片。尺寸为100nm-1μm，层数为1-10层。
所述的阻变层的凝胶溶液配制过程如下：配置质量分数为1wt％、2wt％、5wt％的聚合物中的一种，并放在磁力搅拌器上加热搅拌24小时，温度为85℃，在配置好的聚合物溶液中加入MoS2纳米片分散液,并且在磁力搅拌器上搅拌两小时；等到温度降为室温(20℃-25℃)，在MoS2-聚合物溶液中，加入锂盐，搅拌两小时至形成透明的凝胶溶液。
所述的顶电极层201包括各种惰性金属，具体为铂(Pt)、金(Au)中的一种。
本发明的一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器及其制备方法，有步骤如下：
(1)底电极层制备：采用直流磁控溅射、电子束蒸发方法在衬底上生长薄膜，从而得到底电极；
(2)二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶阻变层制备：采用旋涂、滴涂方法利用二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶溶液在底电极上制备二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶薄膜阻变层；并在管式炉中80-120℃下退火15-40min。
(3)惰性金属顶电极层制备：采用直流磁控溅射、电子束蒸发方法在阻变层上制备惰性金属薄膜，从而得到惰性金属顶电极。
所述直流磁控溅射法包括：制备在腔室保持高度真空的环境下通入氩气，氩气在电场的作用下发生电离，氩离子撞向阴极靶使靶材的原子被溅射出来，沉积在衬底形成薄膜，衬底温度为室温，溅射所通气体为纯氩气，溅射功率为45W，时间为3-10min；
所述电子束蒸发法包括：将靶材放于水冷的坩埚中，在高度真空的情况下用电子束直接对靶材进行加热3-10min，使靶材材料气化并冷凝到二硫化钼-聚合物-锂盐阻变层上，形成薄膜，电子枪束流为100-300mA，蒸发速率为2A/s。
所述旋涂法包括：将所得衬底放置于匀胶机的样品托中心，打开真空泵使其牢牢吸附于样品托上，取一滴凝胶溶液滴于衬底上，通过旋转衬底使溶液均匀流覆于底电极层表面，所用匀胶机设置的低速转动为1000rpm，旋转时间为5-10s，高速转动为5000rpm，旋转时间为30-60s；
所述滴涂法包括：将衬底放于热盘之上，用胶头滴管取几滴凝胶溶液滴满衬底表面，待溶剂被加热蒸发掉，即在衬底上获得二硫化钼薄膜，所用热盘温度设置为45-75℃，加热时间为10-25min；
所述步骤(2)的MoS2纳米片采用的是液相剥离法制备：二硫化钼粉末分散到分散剂，超声2h-10h,粉末状的MoS2即被剥离成少层或单层结构，最后再将所得悬浮液放入离心机中离心5-20min去除未经剥离的沉淀物，即得到MoS2纳米片分散液。
一种应用所述的忆阻器实现忆阻效应的方法，包括如下步骤：
步骤一、写入过程，底电极层接地，对顶电极层Au/Pt施加小的连续的正向电压；在阻变层中的锂离子嵌入层状的MoS2中，与MoS2发生氧化还原反应导致MoS2发生相变，器件表现出的是模拟型忆阻行为。连续施加相同的电场器件表现出多态特性，并且在去掉外加的电场后器件还可以保存在低阻态。施加大电压，MoS2纳米片作为电子捕获位点，从而实现阻态的改变。并且器件表现出的是一种数字型忆阻器。。
步骤二、擦除过程，继续对顶电极层Au/Pt施加连续的负向电压；在电场的作用下，锂离子从MoS2中脱出。器件从低阻态转变成高阻态，并且在擦除过程中，器件表现出电导连续的多态特性，最终实现器件的电导保存。施加大的负向电压，驱使电子脱离MoS2纳米片捕获位点，从而实现器件从低阻态转变成高阻态。
与现有技术相比，本发明的一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器及其制备方法，具有如下特点：
1、本发明的一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器及制备方法，在单一器件中实现模拟型忆阻器和数字型忆阻器共存，有利于忆阻机制的探究以及模式识别的应用。
2、本发明的一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器及制备方法，器件具有多阻态特性和阈值电压小。
3、本发明的一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器及制备方法，采用旋涂、滴涂制备，耗时低，溶液需求量少，工艺简单，有利于降低成本和大量制备。
附图说明
图1是一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的结构示意图。
图2是一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的制备技术路线示意图。
图3a是施加连续的正向电压的电压-电流曲线图。电压扫描范围为0V-3V。
图3b是施加连续的负向电压的电压-电流曲线扫描图。电压扫描范围为-3V-0V。
图3(c)、(d)是3(a)、(b)的电压-电流循环图在时间域展开。图3c是施加5个正向(0V-3V)的三角波电压所对应的电流-时间图；图3d是施加5个负向(-3V-0V)三角波电压所对应的电流-时间图。其中虚线表示施加电压，黑色实线表示响应电流。
图4是基于一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的在施加大电压下的电学测量图。
其中，施加0V-4V的正向电压和4V-0V的反向电压，忆阻I-V曲线由渐变变为突变。
图中具体标号如下：
201-顶电极层；101-二硫化钼-聚合物锂盐凝胶层；202-底电极层。
具体实施方式
本发明结合附图1-4及实施例作进一步详细说明，所述实施例旨在便于对本发明的了解，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，对其不起任何限定作用。因此，可以以许多可形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于再次提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
本实施例中，基于“顶端电极/二硫化钼-聚合物锂盐凝胶/底端电极”结构，如图1所示，该结构从上至下有衬底层、顶电极层201，二硫化钼-聚合物锂盐凝胶层101，底电极层202。该结构采用磁控溅射、旋涂仪，电子束蒸发等方法，由下至上在衬底上逐层制备，如图2所示。具体制备过程如下：在衬底上磁控溅射氧化铟锡，形成ITO底电极层202。在底电极上使用旋涂法生长阻变层101(MoS2-PVA-LiClO4)薄膜，制备好的薄膜在管式炉温度为120℃下退火半小时。再采用电子束蒸发制备Au顶电极层202。
利用半导体参数分析测试仪在上述器件如图3a、3b,图4所示。在写入的过程中，底电极层接地，对顶电极层Au施加连续的正向电压。在施加小电场下，器件中的锂离子吸附或嵌入2H二硫化钼纳米片的内部或表面，导致2H相二硫化钼从半导体相转为1T金属相。器件表现出多态行为，如图3a所示。反之，当锂离子脱出2H相二硫化钼纳米片时，二硫化钼由金属相转变成半导体相。并且在这个过程中器件表现出连续电导变化的模拟忆阻行为，如图3b所示。图3c和图3d是分别将图3a和图3b中的电压-电流循环图在时间区域展开，其中黑色虚线表示施加的电压，黑色实线表示响应的电流。连续施加5个三角波正向电压，最大的响应电流随着时间的增加逐渐增大，如图3c所示；连续施加5个三角波负向电压，最大的响应电流随时间的增加逐渐减弱，如图3d。随着施加的电压进一步的增大，此时电子突破势垒被捕获在二硫化钼纳米片中，实现忆阻行为；反之，施加反向电压，电子脱出二硫化钼纳米片。并在这个过程中，器件的电导由渐变转变为突变的忆阻行为。如图4所示。
Claims (12)
1.一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器，其结构由下至上依次包括衬底层、底电极层、二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶层、顶电极层；其特征在于：所述二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶层是作为阻变层，层状的二硫化钼均匀分散在聚合物中，为锂离子和电子提供存储位点，顶电极厚度为50-100nm，底端电极厚度为30-100nm，阻变层的厚度为100-300nm。
2.根据权利要求1所述的基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器，其特征在于：所述的衬底层为SiO2和玻璃衬底；所述的底电极层包括各种惰性金属以及导电玻璃，具体为铂(Pt)、金(Au)以及氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的SnO2导电玻璃(FTO)中的一种；所述的顶电极层包括各种惰性金属，具体为铂(Pt)、金(Au)中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器，其特征在于：所述的阻变层中的聚合物为聚乙烯醇(PVA),聚乙烯基咔唑(PVK),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种；所述的阻变层中的锂盐为高氯酸锂(LiClO4)，氯化锂(LiCl)，碳酸锂(Li2CO3)，高锰酸锂(LiMnO4)中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器，其特征在于：所述的阻变层中二硫化钼(MoS2)是由液相玻璃法制备的半导体相的MoS2纳米片；尺寸为100nm-1μm，层数为1-10层。
5.一种根据权利要求4所述的基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的制备方法，其特征在于：液相剥离法制备方法为：二硫化钼粉末分散到分散剂，超声2h-10h,粉末状的MoS2即被剥离成少层或单层结构，最后再将所得悬浮液放入离心机中离心5-20min去除未经剥离的沉淀物，即得到MoS2纳米片分散液。
6.一种根据权利要求1所述的基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的制备方法，其特征在于：所述的阻变层的凝胶溶液配制过程如下：配置质量分数为1wt％、2wt％、5wt％的聚合物中的一种，并放在磁力搅拌器上加热搅拌24小时，温度为85℃，在配置好的聚合物溶液中加入MoS2纳米片分散液,并且在磁力搅拌器上搅拌两小时；等到温度降为室温20℃-25℃，在MoS2-聚合物溶液中，加入锂盐，搅拌两小时至形成透明的凝胶溶液。
7.一种根据权利要求1所述的基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的制备方法，其特征在于：
底电极层制备：采用直流磁控溅射、电子束蒸发方法在衬底上生长薄膜，从而得到底电极；
二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶阻变层制备：采用旋涂、滴涂方法利用二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶溶液在底电极上制备二硫化钼-聚合物-锂盐凝胶薄膜阻变层；并在管式炉中80-120℃下退火15-40min；
惰性金属顶电极层制备：采用直流磁控溅射、电子束蒸发方法在阻变层上制备惰性金属薄膜，从而得到惰性金属顶电极。
8.根据权利要求7所述的基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的制备方法，其特征在于：所述直流磁控溅射法包括：制备在腔室保持高度真空的环境下通入氩气，氩气在电场的作用下发生电离，氩离子撞向阴极靶使靶材的原子被溅射出来，沉积在衬底形成薄膜，衬底温度为室温，溅射所通气体为纯氩气，溅射功率为45W，时间为3-10min。
9.根据权利要求7所述的一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的制备方法，其特征在于：所述电子束蒸发法包括：将靶材放于水冷的坩埚中，在高度真空的情况下用电子束直接对靶材进行加热3-10min，使靶材材料气化并冷凝到二硫化钼-聚合物-锂盐阻变层上，形成薄膜，电子枪束流为100-300mA，蒸发速率为2A/s。
10.根据权利要求7所述的一种基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的制备方法，其特征在于：制备方法包括如下步骤：所述旋涂法包括：将所得衬底放置于匀胶机的样品托中心，打开真空泵使其牢牢吸附于样品托上，取一滴凝胶溶液滴于衬底上，通过旋转衬底使凝胶溶液均匀流覆于底电极层表面，所用匀胶机设置的低速转动为1000rpm，旋转时间为5-10s，高速转动为5000rpm，旋转时间为30-60s。
11.根据权利要求1所述的基于模拟型和数字型共存的MoS2基忆阻器的制备方法，其特征在于：所述滴涂法包括：将衬底放于热盘之上，用胶头滴管取几滴凝胶溶液滴满衬底表面，待溶剂被加热蒸发掉，即在衬底上获得二硫化钼薄膜，所用热盘温度设置为45-75℃，加热时间为10-25min。
12.一种应用所述的忆阻器实现忆阻效应的方法，包括如下步骤：
其特征在于：步骤一、写入过程，底电极层接地，对顶电极层Au/Pt施加小的连续的正向电压；在阻变层中的锂离子嵌入层状的MoS2中，与MoS2发生氧化还原反应导致MoS2发生相变，器件表现出的是模拟型忆阻行为；连续施加相同的电场器件表现出多态特性，并且在去掉外加的电场后器件保存在低阻态；施加大电压，MoS2纳米片作为电子捕获位点，从而实现阻态的改变；并且器件表现出的是一种数字型忆阻器；
步骤二、擦除过程，继续对顶电极层Au/Pt施加连续的负向电压；在电场的作用下，锂离子从MoS2中脱出；器件从低阻态转变成高阻态，并且在擦除过程中，器件表现出电导连续的多态特性，最终实现器件的电导保存；施加大的负向电压，驱使电子脱离MoS2纳米片捕获位点，从而实现器件从低阻态转变成高阻态。
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