CN113540346B - 一种平面结构有机/无机复合钙钛矿忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种平面结构有机/无机复合钙钛矿忆阻器及其制备方法，属于半导体和微电子领域，从下到上依次为基板、模板层、阻变层、电极。步骤为：首先，在基板上制备一层模板层，其次在模板层上采用溶液旋涂法制备一层有机/无机复合钙钛矿阻变层，最后在阻变层上采用真空沉积的方法制备电极。该方法利用模板层调控阻变层的化学成分分布，在阻变层的上表面产生过量的阴离子，在电场作用下通过调控阴离子的移动实现忆阻器高低电阻态间的转变。本发明工艺简单，成本低廉，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于半导体和微电子领域，尤其涉及一种平面结构有机/无机复合钙钛矿忆阻器及其制备方法。
背景技术
有机/无机复合钙钛矿材料具有直接带隙、载流子迁移率高、激子扩散长度长、带隙可调、与柔性基板兼容等特点，被广泛应用于发光二极管和太阳能电池。同时，有机/无机复合钙钛矿材料中常存在间隙、空位等点缺陷，这些点缺陷具有低迁移势垒、高迁移速度等特点，是制备高性能忆阻器的理想材料。
目前有机/无机复合钙钛矿忆阻器通常采用“三明治”结构或者晶体管结构。“三明治”结构从下至上依次为基板、下电极、阻变层、上电极，晶体管结构从下至上依次为基板、栅极、阻变层、源极和漏极。目前有机/无机复合钙钛矿忆阻器在阻变层的上下两个表面均设置有金属电极，需要采用多次沉积的办法来实现，器件制备工艺复杂、成本昂贵。
发明内容
本发明的目的是基于以上理论基础和方法，提供了一种忆阻器结构，仅在阻变层的上表面设置了金属电极，因此只要进行一次沉积就可以完成器件正负电极的同时制备，大大简化了器件的制备工艺，降低了成本。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种平面结构有机/无机复合钙钛矿忆阻器，从下至上依次为基板、模板层、阻变层、电极。
进一步的，所述基板为玻璃、硅片等刚性基板或者PET、PI等柔性基板。
进一步的，所述模板层表面对PbI2具有高的吸附能力，如PEDOT：PSS。
进一步的，所述阻变层为有机/无机复合碘化物钙钛矿材料CH3NH3PbI3。
进一步的，所述电极为Au、Ag、Pt等金属材料，电极图案为条状结构或者插指结构。
上述结构的忆阻器，其制备步骤如下：
采用超声清洗基板；
在基板上制备模板层；
在模板层上制备阻变层；
在阻变层上沉积金属电极。
在步骤（2）中，模板层溶液旋涂法制备。
在步骤（3）中，阻变层采用一步溶液旋涂法制备。
在步骤（4）中，电极采用磁控溅射、电子束蒸发、热沉积等真空沉积方法制备。
本发明的优势：
1、将忆阻器的正、负电极同时设置在阻变层的上表面，改变了现有技术中需要上下两层电极的器件结构，因此只要进行一次沉积就可以完成器件正负电极的同时制备，大大简化了器件的制备工艺，降低了成本；
2、采用模板层来调控阻变层有机/无机复合钙钛矿薄膜的化学成分分布，解决了传统溶液法无法控制薄膜化学成分分布的问题。
3、由于模板层对PbI2具有较高的吸附能力，阻变层的下部分Pb2+浓度较高，而阻变层的上部分CH3NH3 +浓度较高。在外电场作用下，CH3NH3 +在阻变层中向负电极移动并形成离子电流，此时阻变器处于低电阻状态；随着CH3NH3 +在负电极处不断积累，形成了与外电场方向相反的内建电场，阻碍了CH3NH3 +的继续移动，此时阻变器从低电阻状态转变为高电阻状态，即通过调控CH3NH3 +的移动使阻变器在高、低电阻状态间发生转变。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明；
图1 为平面结构有机/无机复合钙钛矿忆阻器结构示意图；
图2 为不含模板层器件的电流-电压曲线；
图3 为PEDOT:PSS作为模板层器件的电流-电压曲线；
图4 为平面结构有机/无机复合钙钛矿忆阻器的高低电阻态的稳定性曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。
结合附图说明本实施方式，图1为本发明所述平面结构忆阻器的器件结构，从下至上依次为基板1、模板层2、阻变层3、电极4和5，阻变层3为有机/无机复合碘化物钙钛矿材料，电极4和5一个为正电极，一个为负电极。
对比例1
（1）采用丙酮、异丙醇、玻璃清洗剂、去离子水依次超声清洗玻璃基板，时间均为10分钟，在鼓风干燥箱中120℃下烘干1小时，然后用紫外-臭氧清洗机处理20分钟；
（2）将CH3NH3I和PbI2按照摩尔比1:1的比例加入DMF和DMSO的混合溶液中，制得浓度为1mol/L钙钛矿前驱体溶液，其中DMF和DMSO的体积比为7:3，前驱体溶液在70℃下搅拌2小时；
（3）在氮气手套箱中，将基板放置在匀胶机托盘上，并在其上滴加钙钛矿前驱体溶液，第一阶段以1000转/分钟的速度匀胶10秒，第二阶段以2000转/分钟的速度匀胶60秒，其中第20秒时滴加100微升氯苯溶液；然后将制备的薄膜在70℃下退火3分钟，100℃下退火10分钟；
（4）将基板放入真空镀膜机，采用真空热沉积的办法蒸镀100nm Au电极；
（5）采用数字源表对器件电流-电压曲线进行表征，如图2所示。器件正向和反向电流-电压曲线几乎完全重合，即不存在阻变特性。
实施例1
（1）采用丙酮、异丙醇、玻璃清洗剂、去离子水依次超声清洗玻璃基板，时间均为10分钟，在鼓风干燥箱中120℃下烘干1小时，然后用紫外-臭氧清洗机处理20分钟；
（2）将CH3NH3I和PbI2按照摩尔比1:1的比例加入DMF和DMSO的混合溶液中，制得浓度为1mol/L钙钛矿前驱体溶液，其中DMF和DMSO的体积比为7:3，前驱体溶液在70℃下搅拌2小时；
（3）在大气环境中，将玻璃基板放置在匀胶机托盘上，并在其上滴加PEDOT:PSS溶液，以3000转/分钟的速度匀胶60秒，然后将制备的薄膜在120℃下退火30分钟；
（4）在氮气手套箱中，将沉积了PEDOT:PSS薄膜的基板放置在匀胶机托盘上，并在其上滴加钙钛矿前驱体溶液，第一阶段以1000转/分钟的速度匀胶10秒，第二阶段以2000转/分钟的速度匀胶60秒，其中第20秒时滴加100微升氯苯溶液；然后将制备的薄膜在70℃下退火3分钟，100℃下退火10分钟；
（5）将沉积了钙钛矿薄膜的基板放入真空镀膜机，采用真空热沉积的办法蒸镀100nm Au电极；
（6）采用数字源表对器件电流-电压曲线进行表征，如图3所示。当电压从0V扫描到10V时，电流先逐渐增大（相当于数据“写”的过程，器件处于低电阻状态），此时CH3NH3 +在阻变层中向负电极移动；当电流达到一定值后，电流反而随着电压增大逐渐减小（相当于数据“擦”的过程，器件处于高电阻状态），此时CH3NH3 +在负电极处大量积累，形成了与外电场方向相反的内建电场。当电压从10V扫描到0V时，器件一直处于高电阻状态。即在正向和反向电压扫描过程中，实现了一次高电阻状态到低电阻状态的转变，器件呈现出明显的非易失性存储特性（如图4）。当在负电压区域进行电压扫描时，器件同样会出现数据“写”和“擦”的过程。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种平面结构有机/无机复合钙钛矿忆阻器，其特征在于：从下至上依次为基板、模板层、阻变层、电极； 所述基板为刚性基板或柔性基板，所述刚性基板包括玻璃和硅片，所述柔性基板包括PET和PI； 所述模板层表面包括PEDOT：PSS； 所述阻变层为有机/无机复合碘化物钙钛矿材料CH3NH3PbI3； 所述忆阻器的正负电极均位于阻变层的上表面，材料为Au、Ag或Pt，电极图案为条状结构或者插指结构；
忆阻器的工作机理：模板层对PbI2具有高的吸附能力，阻变层的下部分Pb2+浓度高，而阻变层的上部分CH3NH3 +浓度高，在外电场作用下，CH3NH3 +在阻变层中向负电极移动并形成离子电流，此时阻变器处于低电阻状态；随着CH3NH3 +在负电极处不断积累，形成了与外电场方向相反的内建电场，阻碍了CH3NH3 +的继续移动，此时阻变器从低电阻状态转变为高电阻状态，即通过调控CH3NH3 +的移动使阻变器在高、低电阻状态间发生转变。
2.一种如权利要求1所述的平面结构有机/无机复合钙钛矿忆阻器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： （1）采用超声清洗基板； （2）在基板上制备模板层； （3）在模板层上制备阻变层； （4）在阻变层上沉积金属电极。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述模板层采用溶液旋涂法制备。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述阻变层采用一步溶液旋涂法制备。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述电极采用磁控溅射、电子束蒸发、热沉积方法制备。
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Legal Events
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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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