CN112467031A - 基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Ag‑In‑Zn‑S量子点的低功耗忆阻器，包括自下而上依次设置的衬底、底电极、介质层和顶电极；所述介质层为由Ag‑In‑Zn‑S量子点制成的材料膜；所述介质层的底部与所述底电极的顶部接触，所述介质层的顶部与所述顶电极的底部相接触。本发明还公开了该忆阻器的制备方法，包括衬底清洗、干燥；底电极沉积；介质层制备；顶电极沉积。本发明提供的基于Ag‑In‑Zn‑S量子点的忆阻器制备工艺简单，方法高效；本发明的忆阻器具有稳定性高和功耗低等优点，同时在低限制电流的情况下表现出易失性，在高限制电流的情况下表现出非易失性，具有开发交叉开关阵列的选择器以及下一代的节能和高密度存储的巨大潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器及其制备方法，属于忆阻器领域。
背景技术
忆阻器又名记忆电阻，是一种反应磁通量和电荷量关系的无源器件，具有电阻的量纲。由于忆阻器通常采用“三明治”结构，结构简单，体积小，封装密度高，同时功耗低，响应速度快，且具有记忆流经电荷量的特性，在突破冯.诺依曼构架，实现类脑计算，并行处理等方面具有巨大潜力，因此吸引了学术界的广泛兴趣。
当通过忆阻器的电荷量积累到一定程度之后，忆阻器的阻值会发生变化，具体体现为其伏安特性曲线形如一个“8”字，称之为滞回曲线。然而忆阻器功耗较高且伏安特性存在不稳定性，这对忆阻器的商业化及其在类脑系统中的应用造成了非常大的阻力。降低器件的功耗和提高忆阻器的可靠性是业内急需解决的技术瓶颈。
寻找理想的有潜力的介质层材料是改善器件性能的一种非常可取及便利的方法。量子点是一种新型的半导体纳米材料，在生物医学、能源、环保等领域有着广泛的应用潜力，近年来也逐步在忆阻器中充当介质层材料。相比于CdS，CdSe，PbS等应用于其他忆阻器的量子点材料，Ag-In-Zn-S量子点是一种新型的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体纳米材料，不含毒性很大的镉或铅等重金属元素，对人体无害，有利于环境保护，在太阳能电池、发光二极管等领域具有取代其他有毒重金属量子点的巨大应用潜力。然而国际上对于在忆阻器中引入Ag-In-Zn-S量子点作为介质层材料的研究仍不充分。
发明内容
本发明的目的在于克服现有忆阻器功耗高均一性不良的问题，提供一种基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器及其制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器，包括自下而上依次设置的衬底、底电极、介质层和顶电极；所述介质层为由Ag-In-Zn-S量子点制成的材料膜；所述介质层的底部与所述底电极的顶部接触，所述介质层的顶部与所述顶电极的底部相接触。
进一步的，所述顶电极为Ag层，Ag层的厚度为100nm；所述底电极为Pt层，Pt层的厚度为100nm；所述衬底层为硅衬底层。
进一步的，所述底电极设置于衬底上。
进一步的，所述底电极和所述顶电极使用不同的掩模版制备而成。
一种基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、衬底清洗：将衬底进行清洗处理，依次经过超纯水超声、丙酮超声、乙醇超声清洗，每次清洗15min；
步骤2、衬底干燥：对经过步骤1清洗处理后的衬底做干燥处理，将衬底取出放入培养皿，置于烘干箱中在80℃下烘干20min取出；
步骤3、底电极沉积：在经过步骤2干燥处理后的衬底中心处固定第一层掩膜版，并将衬底固定在溅射腔的靶台上、将腔内抽至真空状态后开始溅射，将底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪溅射沉积，使底电极材料均匀、完全覆盖在衬底上表面，得到底电极；
步骤4、介质层制备：将Ag-In-Zn-S量子点材料与甲苯溶液混合制得量子点材料与甲苯的混合溶液，真空环境下，将该混合溶液通过甩胶机旋涂在步骤3所得底电极上，退火处理后形成Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层；
步骤5、顶电极沉积：烘干步骤4所得Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层，在其上固定第二层掩模版，选取顶电极材料作为溅射源，在Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层上通过溅射沉积，使顶电极材料均匀、完全覆盖在Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层上表面，得到顶电极。
进一步的，所述步骤4中制备的量子点材料与甲苯的混合溶液浓度为3.2mg/ml。
进一步的，所述步骤3中，选取Pt靶材作为溅射源；设定磁控溅射仪的功率为100W，不进行加热处理，设置溅射时长为18min31s。
进一步的，所述步骤4中甩胶机转速为2000r/min，旋涂时间为60秒。
进一步的，所述步骤4中退火处理温度为80摄氏度，退火时间为20分钟。
进一步的，所述步骤3中底电极通过物理气相沉积法溅射形成在衬底上；所述步骤4中介质层通过旋涂形成在底电极上；所述步骤5中顶电极通过物理气相沉积法溅射形成在介质层上。
有益效果：
本发明提供的基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器直接使用了量子点材料作为介质层，制备工艺简单，方法高效，材料成本低，相较于传统忆阻器，本发明具有稳定性高和功耗低等优点，同时在低限制电流的情况下表现出易失性，在高限制电流的情况下表现出非易失性，具有开发交叉开关阵列的选择器以及下一代的节能和高密度存储的巨大潜力。
附图说明
图1为本发明基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的结构示意图。
图2为本发明基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的量子点材料进行物理表征的XRD图。
图3为本发明基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器在100nA限流下表现出易失特性的I-V曲线图。
图4为本发明基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器在1mA限流下表现出非易失特性的I-V曲线图。
图5为本发明基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器在1mA限流下循环130次高低阻态的循环特性图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于Ag-In-Zn-S量子点的忆阻器，包括自下而上依次设置的衬底4、底电极3、介质层2和顶电极1；所述介质层2为由Ag-In-Zn-S量子点制成的材料膜，用于产生阻变现象的介质；所述介质层2的底部与所述底电极3的顶部接触，所述介质层2的顶部与所述顶电极1的底部相接触。
所述Ag-In-Zn-S量子点是一种新型的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体纳米材料，不含毒性很大的镉或铅等重金属元素，对人体无害，有利于环境保护，在太阳能电池、发光二极管等领域具有取代其他有毒重金属量子点的巨大应用潜力。所述Ag-In-Zn-S量子点材料膜在本忆阻器中充当介质层2，厚度约为30nm，所述介质层2通过旋涂法形成在所述底电极3上。
所述底电极3为Pt层，通过掩膜板的开孔溅射形成在所述衬底4上，厚度为100nm；所述顶电极1为Ag层，通过掩膜板的开孔溅射形成在所述Ag-In-Zn-S量子点材料膜上，厚度为100nm；所述衬底4为硅衬底。
本发明基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器通过顶电极1和底电极3与外部电路连接，通过介质层2实现高低阻态之间的转变。
其中，所述介质层2实现高低阻态转变的原理是“导电细丝”原理。所述Ag-In-Zn-S量子点材料膜中的量子点可引导、规范导电细丝的生长，从而减少细丝形成的随机性，同时，量子点中的Ag元素与来自顶电极1的Ag离子可共同参与导电细丝的形成，加速了导电细丝的生长，降低了阻态转变所需要的电压，从而降低了忆阻器功耗，提高了稳定性，均一性和重复性。
本发明还提供了一种基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤1、将衬底4进行清洗处理，依次经过超纯水超声、丙酮超声、乙醇超声清洗；每次清洗15min。
步骤2、对衬底4做干燥处理，将衬底4置于烘干箱中烘干；设置烘箱温度为80℃，烘干20min。
步骤3、在经过清洗的衬底4中心处固定第一层掩膜版，并将衬底4固定在溅射腔的靶台上，将腔内抽至真空状态后开始溅射，将底电极材料Pt靶材作为溅射源，设定磁控溅射仪的功率为100W，溅射时长设为18min31s，不进行加热处理，通过磁控溅射仪溅射沉积，使底电极材料均匀、完全覆盖在衬底4上表面，溅射完毕后，将厚度约为100nm的Pt作为底电极3；
步骤4、将Ag-In-Zn-S量子点材料与甲苯溶液混合制得量子点材料与甲苯的混合溶液，真空环境下，将该混合溶液通过甩胶机旋涂在步骤3所得底电极3上，退火处理后形成Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层2；
其中，制备Ag-In-Zn-S量子点材料膜的具体步骤如下：
S1、制备量子点与甲苯的混合溶液：称取量子点材料3.2mg放入离心管内，将1ml的甲苯溶液与其混合进行超声振荡，获得浓度为3.2mg/ml的量子点材料与甲苯的混合溶液。
S2、放入硅片基底(附有溅射好的底电极3)：打开外部阀门，将溅射底电极3后的衬底4放入过渡室后，关紧外部阀门。点击手套箱外的操作屏幕，进行抽真空操作，反复进行抽气与充气操作三次之后，使主箱与过渡室的压力和大气压保持平衡，再将过渡室的门打开，把硅片基底传送到手套箱里。
S3、设置匀胶机参数：转速为2000r/min，时间为60秒。
S4、旋涂操作：用镊子将硅片平稳放置于甩胶机上，用吸耳球轻轻吹去硅片上残留的灰尘后，用移液枪吸取配比好的混合溶液，滴在硅片中心部位。操作按钮使机器带动硅片旋转。
S5、退火处理：旋涂结束后，用镊子轻轻夹起硅片，将旋涂好量子点的基片放到加热台上进行退火处理，设定温度为80摄氏度，退火20分钟。
步骤5、烘干Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层2，在其上固定第二层掩模版，将溅射腔内抽至真空状态，选取顶电极材料Ag靶材作为溅射源，设定磁控溅射仪的功率为100W，溅射时长设为4min20s，不进行加热处理，在Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层2上通过溅射沉积，使顶电极材料均匀、完全覆盖在Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层2上表面，溅射完毕后，将厚度约为100nm的Ag作为顶电极1。
以下将结合附图对本发明基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的特性进行详细说明。
如图2所示，为Ag-In-Zn-S量子点材料进行物理表征的XRD图，与报道过的Ag-In-Zn-S纳米结构的结果相一致，于27.3°，45.4°和53.5°处可以清晰地观察到该纳米粒子拥有三个主峰，分别对应于(002)，(110)，(112)晶面，所有特征峰都可以对应于一个六方AgInZn2S4晶体结构上。
当在忆阻器的顶电极1与底电极3之间加上正向电压之后，随着电压的升高，在忆阻器的介质层2中会逐步形成导电细丝，一旦导电细丝从底电极3生长到顶电极1，忆阻器随即由高阻态转变为低阻态，该过程为SET过程；反之，达到低阻态后，若施加反向的扫描电压，则导电细丝逐步断裂分解，一旦连接顶电极1与底电极3的导电细丝断裂，忆阻器随即由低阻态转变为高阻态，该过程称为RESET过程。
同时，由于导电细丝的粗细与限制电流有关，限制电流过小时，生成的导电细丝过细，会自发断裂，忆阻器表现为易失性；反之限制电流足够大时，生成的导电细丝较粗，不会自发断裂，忆阻器表现为非易失性。
如图3所示，图中显示忆阻器的限制电流较低，为100nA，图中的三个循环都表现出易失性，即当电压从高电压回扫到0V时，忆阻器无法保持低阻态，自发地转变为高阻态。这是低限流下，导电细丝不够粗壮导致的。
如图4所示，图中显示忆阻器的限制电流较高，为1mA，图中的三个循环都表现出非易失性，即所示箭头2的过程中，器件的阻态仍然保持在低阻态，这是在较高的限制电流下，导电细丝足够粗壮导致的。同时可以观察到，忆阻器的SET电压较低，约为0.11V，此限流下器件的开启功耗为10-10W，表明该忆阻器具有良好的低功耗特性。同样的可以观察到，忆阻器的RESET电压在-0.2V左右，同样表现出良好的低功耗特性。
如图5所示，器件的稳定性良好。在1mA限流下，对该忆阻器进行了130组循环测试，其高低阻态分布稳定，器件窗口没有明显的衰减趋势，表明该忆阻器具有良好的稳定性和均一性。同时，可以看到，该忆阻器的器件窗口较大，其高低阻态比约为106，差裕度高，便于阻态识别，进而有利于在类脑电路及系统中应用。
综上所述，本发明基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器，直接使用了量子点材料作为介质层，制备工艺简单，方法高效，材料成本低，相较于传统忆阻器，本发明具有稳定性高和功耗低等优点，同时在低限制电流的情况下表现出易失性，在高限制电流的情况下表现出非易失性，具有开发交叉开关阵列的选择器以及下一代的节能和高密度存储的巨大潜力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器，其特征在于，包括自下而上依次设置的衬底(4)、底电极(3)、介质层(2)和顶电极(1)；所述介质层(2)为由Ag-In-Zn-S量子点制成的材料膜；所述介质层(2)的底部与所述底电极(3)的顶部接触，所述介质层(2)的顶部与所述顶电极(1)的底部相接触。
2.根据权利要求1所述的基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器，其特征在于，所述顶电极(1)为Ag层，Ag层的厚度为100nm；所述底电极(3)为Pt层，Pt层的厚度为100nm；所述衬底(4)层为硅衬底层。
3.根据权利要求1所述的基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器，其特征在于，所述底电极(3)设置于衬底(4)上。
4.根据权利要求1所述的基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器，其特征在于，所述底电极(3)和所述顶电极(1)使用不同的掩模版制备而成。
5.一种基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、衬底清洗：将衬底(4)进行清洗处理，依次经过超纯水超声、丙酮超声、乙醇超声清洗，每次清洗15min；
步骤2、衬底干燥：对经过步骤1清洗处理后的衬底(4)做干燥处理，将衬底(4)取出放入培养皿，置于烘干箱中在80℃下烘干20min取出；
步骤3、底电极沉积：在经过步骤2干燥处理后的衬底(4)中心处固定第一层掩膜版，并将衬底(4)固定在溅射腔的靶台上、将腔内抽至真空状态后开始溅射，将底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪溅射沉积，使底电极材料均匀、完全覆盖在衬底(4)上表面，得到底电极(3)；
步骤4、介质层制备：将Ag-In-Zn-S量子点材料与甲苯溶液混合制得量子点材料与甲苯的混合溶液，真空环境下，将该混合溶液通过甩胶机旋涂在步骤3所得底电极(3)上，退火处理后形成Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层(2)；
步骤5、顶电极沉积：烘干步骤4所得Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层(2)，在其上固定第二层掩模版，选取顶电极材料作为溅射源，在Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层(2)上通过溅射沉积，使顶电极材料均匀、完全覆盖在Ag-In-Zn-S量子点材料膜的介质层(2)上表面，得到顶电极(1)。
6.根据权利要求5所述的基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中制备的量子点材料与甲苯的混合溶液浓度为3.2mg/ml。
7.根据权利要求5所述的基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，选取Pt靶材作为溅射源；设定磁控溅射仪的功率为100W，不进行加热处理，设置溅射时长为18min31s。
8.根据权利要求5所述的基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中甩胶机转速为2000r/min，旋涂时间为60秒。
9.根据权利要求5所述的基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中退火处理温度为80摄氏度，退火时间为20分钟。
10.根据权利要求5所述的基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤3中底电极(3)通过物理气相沉积法溅射形成在所述衬底(4)上；步骤4中介质层(2)通过旋涂形成在所述底电极(3)上；步骤5中顶电极(1)通过物理气相沉积法溅射形成在所述介质层(2)上。
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| CN202011347525.4A CN112467031A (zh) | 2020-11-26 | 2020-11-26 | 基于Ag-In-Zn-S量子点的低功耗忆阻器及其制备方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113224236A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-08-06 | 山东大学 | 一种透明的双层结构忆阻器及其制备方法 |
| CN113346017A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-09-03 | 河北大学 | 基于全忆阻器的人工视觉神经系统及其制备方法和应用 |
| CN114068781A (zh) * | 2021-11-15 | 2022-02-18 | 扬州乾照光电有限公司 | 一种发光器件 |
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2020
- 2020-11-26 CN CN202011347525.4A patent/CN112467031A/zh not_active Withdrawn
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