CN113725357B - 一种忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种忆阻器及其制备方法，所述忆阻器包括自下而上依次设置的基底、底电极层、功能材料层、顶电极层以及顶电极保护层，其特征在于，所述功能材料层和顶电极层之间设置有阻挡层，所述阻挡层由Nb2C覆盖在MAPbI3层上表面制备而成。本发明引入阻挡层制备形成的忆阻器，且配置有顶电极保护层，具有稳定性好、导电性佳的特点，具有广阔的应用前景，同时本发明的制备方法简便高效，成本较低，适合在产业上广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及类脑器件技术领域，具体涉及一种忆阻器及其制备方法。
背景技术
忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四类无源元件，是一个与磁通量和电荷相关的无源电路元件。忆阻器作为一种新型信息器件，可以有机融合信息存储与计算，实现类脑信息处理，被认为是从根本上突破冯·诺依曼瓶颈的核心基础单元。
在忆阻器的研究方面，氧化物忆阻器是研究的最广泛的一类器件。忆阻器多采用简单的三明治或多层三明治结构，自身电阻的改变可以通过外加偏置电压来实现，可用于数据存储或模拟神经突触，是构建类脑系统的潜在候选者。但是由于导电细丝形成的位置往往是随机不可控的，氧化物忆阻器伏安特性的不稳定给设计搭建类脑系统带来了非常大的难度，是业内公认的最急待解决的技术瓶颈。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种忆阻器及其制备方法，以提高忆阻器的稳定性、降低功耗。
技术方案：本发明所述的一种忆阻器，包括自下而上依次设置的基底、底电极层、功能材料层、顶电极层以及顶电极保护层，其特征在于，所述功能材料层和顶电极层之间设置有阻挡层，所述阻挡层由Nb2C覆盖在MAPbI3层上表面制备而成。
可选的，所述功能材料层的厚度为100-200nm。
可选的，所述底电极层的厚度为100-200nm，所述底电极层采用包括ITO、AZO或FTO等透明导电玻璃制成的透明导电电极。
可选的，所述顶电极层为材料为Au、Cu、Ti、Zn、Al、Ag或Ni的金属材料。
可选的，所述顶电极保护层厚度为50-100nm，所述顶电极保护层材料为Pt、Pd等惰性金属材料。
一种忆阻器制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤1：对基底进行清洗后，将第一层掩膜版固定在清洗后的基底中心处，并移入溅射腔的靶台上，将腔内抽至真空状态，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪溅射沉积得到底电极；
步骤2：称取功能层材料放入离心管内，并加入甲苯溶液混合后进行超声振荡，以获得功能层材料与甲苯的混合溶液；
步骤3：吸取功能层材料与甲苯的混合溶液滴在底电极上，通过甩胶机旋涂，使得底电极的上表面均匀覆盖功能层材料，以制备功能层材料膜；
步骤4：吸取阻挡层材料，滴在阻挡层材料膜上，通过甩胶机旋涂，使得功能层的上表面均匀覆盖阻挡层材料，以制得阻挡层材料膜；
步骤5：保持真空环境，对阻挡层材料膜进行烘干，将第二层掩模板固定在阻挡层材料膜上，将顶电极材料作为溅射源，在阻挡层材料膜上通过溅射沉积得到顶电极；
步骤6：保持真空环境，更换步骤5中的溅射源更换为顶电极保护层材料，在顶电极上通过溅射沉积得到顶电极保护层，从而制备获得忆阻器。
可选的，步骤1中对基底进行清洗的步骤包括：
丙酮超声：在烧杯中加入适量的丙酮，将装有基底的支架放入烧杯中，用锡箔纸盖好后放入清洗器中进行超声，超声10分钟后取出；
乙醇超声：将丙酮超声后剩余的丙酮倒入废液桶，加入乙醇，用锡箔纸盖好后放入清洗器中进行超声，超声10分钟后取出；
超纯水超声：将乙醇超声后剩余的乙醇倒入废液桶，加入超纯水，用锡箔纸盖好后放入清洗器中进行超声，超声10分钟后取出；
高温烘干：将基底取出放入培养皿，置于烘干箱中在80℃下烘干20分钟取出。
可选的，步骤1中，设定磁控溅射仪的功率为100W，不进行加热，溅射时长设为26min21s。
可选的，步骤3中，所述功能层材料与甲苯的混合溶液的浓度为1g/ml。
有益效果：本发明引入阻挡层制备形成的忆阻器，阻挡层由Nb2C覆盖在MAPbI3层上制备而成，有利于增强导电细丝的形成，使得忆阻器件开启电压更加均匀，并获得超低开关斜率，从而获得更好的稳定性；且配置有顶电极保护层，具有稳定性好、导电性佳的特点，具有广阔的应用前景；且制备方法简便高效，成本较低，适合在产业上广泛应用。
附图说明
图1为本发明实施例的忆阻器的结构示意图；
图2为本发明实施例的制备方法的流程图；
图3为本发明实施例的忆阻器在10nA限流下SET过程的I-V曲线图；
图4为本发明实施例的忆阻器在5nA限流下循环60次的I-V曲线图；
图5本发明实施例的忆阻器在10nA限流下SET过程的I-V曲线图；
图6为本发明实施例的忆阻器在100μA限流下SET过程中开关斜率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明涉及一种忆阻器：包括自下而上依次设置的基底、底电极层、功能材料层、顶电极层以及顶电极保护层，所述功能材料层和顶电极层之间设置有阻挡层，所述阻挡层由Nb2C覆盖在MAPbI3层上表面制备而成。
底电极层厚度为100-200nm，采用包括ITO、AZO或FTO等透明导电玻璃制成的透明导电电极。
功能材料层厚度为100-200nm，采用包括ABX3结构的钙钛矿材料，A位为阳离子(MA+、FA+、Cs+等)，B位为重金属离子(Pb2+、Sn2+等)，X位为卤素离子(Cl-、Br-、I-)。
顶电极层采用的材料为Au、Cu、Ti、Zn、Al、Ag或Ni的金属材料。
顶电极保护层厚度为50-100nm，采用的材料为Pt、Pd等惰性金属材料。
工作时，顶电极与底电极用于与外部电源进行电连接，功能材料层用于实现阻态之间的转换。当器件的顶电极外加电压时，本发明忆阻器内部导电细丝的形成是以未阻挡区域为种子，在两端金属电极之间进行可控的生长，从而减少导电细丝形成的随机性，改善当前忆阻器中存在的功耗高、电学特性不稳定、重复性差等问题。
本发明还提供了一种忆阻器的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤1：对基底进行清洗后，将第一层掩膜版固定在清洗后的基底中心处，并移入溅射腔的靶台上，将腔内抽至真空状态，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪溅射沉积得到底电极；
步骤2：称取功能层材料放入离心管内，并加入甲苯溶液混合后进行超声振荡，以获得功能层材料与甲苯的混合溶液；
步骤3：吸取功能层材料与甲苯的混合溶液滴在底电极上，通过甩胶机旋涂，使得底电极的上表面均匀覆盖功能层材料，以制备功能层材料膜；
步骤4：吸取阻挡层材料，滴在阻挡层材料膜上，通过甩胶机旋涂，使得功能层的上表面均匀覆盖阻挡层材料，以制得阻挡层材料膜；
步骤5：保持真空环境，对阻挡层材料膜进行烘干，将第二层掩模板固定在阻挡层材料膜上，将顶电极材料作为溅射源，在阻挡层材料膜上通过溅射沉积得到顶电极；
步骤6：保持真空环境，更换步骤5中的溅射源更换为顶电极保护层材料，在顶电极上通过溅射沉积得到顶电极保护层，从而制备获得忆阻器。
其中，步骤1中对基底进行清洗的步骤包括：
丙酮超声：在烧杯中加入适量的丙酮，将装有基底的支架放入烧杯中，用锡箔纸盖好后放入清洗器中进行超声，超声10分钟后取出；
乙醇超声：将丙酮超声后剩余的丙酮倒入废液桶，加入乙醇，用锡箔纸盖好后放入清洗器中进行超声，超声10分钟后取出；
超纯水超声：将乙醇超声后剩余的乙醇倒入废液桶，加入超纯水，用锡箔纸盖好后放入清洗器中进行超声，超声10分钟后取出；
高温烘干：将基底取出放入培养皿，置于烘干箱中在80℃下烘干20分钟取出。
步骤1中，设定磁控溅射仪的功率为100W，不进行加热，溅射时长设为26min21s。
步骤3中，所述功能层材料与甲苯的混合溶液的浓度为1g/ml。
以下将对本发明忆阻器的特性进行详细说明。
图3是本发明忆阻器件在-1.5V-1V刺激下10-7A限流时的典型I-V曲线图，将SET过程中的正向扫描-停止电压设置为0V至1V，步幅为0.2V。反向SET过程中的反向扫描-挺扫描停止电压设置为0V至-1.5V，步幅为0.2V。正向反向均为双向扫描，由图中可知，忆阻器器件呈现典型的阻变切换特性特性，开关比达到104。
如图4所示，在5nA限流下的器件60个循环的I-V曲线图，显示出器件在小限流下表现出阈值切换的特性。在该限流下，Vset的区间在0.5-1V，也具有较好的均一性。
如图5所示，在直流电压扫描期间，电流在0.38V时突然从10-8A跃升至10-4A，表明该器件表现出非常陡峭的开关斜率0.231mV/dec，极低的开关斜率有效的减小了晶体管的亚阈值摆幅。
如图6所示，当器件的顶电极外加电压时，忆阻器内部导电细丝的形成是以未阻挡区域为种子，在两端金属电极之间进行可控的生长，从而减少导电细丝形成的随机性，从而获得更好的稳定性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种忆阻器，包括自下而上依次设置的基底、底电极层、功能材料层、顶电极层以及顶电极保护层，其特征在于，所述功能材料层和顶电极层之间设置有阻挡层，所述阻挡层由Nb2C覆盖在MAPbI3功能材料层上表面制备而成，所述阻挡层中设有多个未阻挡区域，导电细丝的形成是以未阻挡区域为种子，在两端金属电极之间进行可控的生长。
2.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述功能材料层的厚度为100-200 nm。
3.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述底电极层的厚度为100-200 nm，所述底电极层采用包括ITO、AZO或FTO透明导电玻璃制成的透明导电电极。
4.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述顶电极层为材料为Au、Cu、Ti、Zn、Al、Ag或Ni的金属材料。
5.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述顶电极保护层厚度为50-100 nm，所述顶电极保护层材料包括Pt、Pd惰性金属材料。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的忆阻器制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤1：对基底进行清洗后，将第一层掩膜版固定在清洗后的基底中心处，并移入溅射腔的靶台上，将腔内抽至真空状态，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪溅射沉积得到底电极；
步骤2：称取功能层材料放入离心管内，并加入甲苯溶液混合后进行超声振荡，以获得功能层材料与甲苯的混合溶液；
步骤3：吸取功能层材料与甲苯的混合溶液滴在底电极上，通过甩胶机旋涂，使得底电极的上表面均匀覆盖功能层材料，以制备功能层材料膜；
步骤4：吸取阻挡层材料，滴在阻挡层材料膜上，通过甩胶机旋涂，使得功能层的上表面均匀覆盖阻挡层材料，以制得阻挡层材料膜；
步骤5：保持真空环境，对阻挡层材料膜进行烘干，将第二层掩模板固定在阻挡层材料膜上，将顶电极材料作为溅射源，在阻挡层材料膜上通过溅射沉积得到顶电极；
步骤6：保持真空环境，更换步骤5中的溅射源更换为顶电极保护层材料，在顶电极上通过溅射沉积得到顶电极保护层，从而制备获得忆阻器。
7.根据权利要求6所述的忆阻器制备方法，其特征在于，步骤1中对基底进行清洗的步骤包括：
丙酮超声：在烧杯中加入适量的丙酮，将装有基底的支架放入烧杯中，用锡箔纸盖好后放入清洗器中进行超声，超声10分钟后取出；
乙醇超声：将丙酮超声后剩余的丙酮倒入废液桶，加入乙醇，用锡箔纸盖好后放入清洗器中进行超声，超声10分钟后取出；
超纯水超声：将乙醇超声后剩余的乙醇倒入废液桶，加入超纯水，用锡箔纸盖好后放入清洗器中进行超声，超声10分钟后取出；
高温烘干：将基底取出放入培养皿，置于烘干箱中在80℃下烘干20分钟取出。
8.根据权利要求6所述的忆阻器制备方法，其特征在于，步骤1中，设定磁控溅射仪的功率为100 W，不进行加热，溅射时长设为26min21s。
9.根据权利要求6所述的忆阻器制备方法，其特征在于：步骤3中，所述功能层材料与甲苯的混合溶液的浓度为1g/ml。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
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