CN113823737B - 一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器及制备方法 - Google Patents
一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113823737B CN113823737B CN202111000108.7A CN202111000108A CN113823737B CN 113823737 B CN113823737 B CN 113823737B CN 202111000108 A CN202111000108 A CN 202111000108A CN 113823737 B CN113823737 B CN 113823737B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- memristor
- voltage
- macroscopic
- binding post
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 11
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 138
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 57
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 38
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 28
- AQMRBJNRFUQADD-UHFFFAOYSA-N copper(I) sulfide Chemical compound [S-2].[Cu+].[Cu+] AQMRBJNRFUQADD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 50
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 21
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 21
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 12
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 9
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 8
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000007888 film coating Substances 0.000 claims description 7
- 238000009501 film coating Methods 0.000 claims description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 6
- COHYTHOBJLSHDF-UHFFFAOYSA-N Indigo Chemical compound N1C2=CC=CC=C2C(=O)C1=C1C(=O)C2=CC=CC=C2N1 COHYTHOBJLSHDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 4
- 238000006864 oxidative decomposition reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 4
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 4
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 3
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 3
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 abstract description 15
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 15
- 238000001075 voltammogram Methods 0.000 description 12
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 235000000177 Indigofera tinctoria Nutrition 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 229940097275 indigo Drugs 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 2
- 230000033772 system development Effects 0.000 description 2
- 238000013142 basic testing Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 235000019633 pungent taste Nutrition 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/882—Compounds of sulfur, selenium or tellurium, e.g. chalcogenides
- H10N70/8822—Sulfides, e.g. CuS
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
- G01R31/282—Testing of electronic circuits specially adapted for particular applications not provided for elsewhere
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/30—Circuit design
- G06F30/36—Circuit design at the analogue level
- G06F30/367—Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/021—Formation of switching materials, e.g. deposition of layers
- H10N70/028—Formation of switching materials, e.g. deposition of layers by conversion of electrode material, e.g. oxidation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D10/00—Energy efficient computing, e.g. low power processors, power management or thermal management
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
本发明提供了一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器及制备方法，在平整的绝缘基底材料上，绝缘基底的其中一侧表面上设有硫化亚铜层的金属铜片，将金属铜片腐蚀得到硫化亚铜薄膜区域，在绝缘基底材料上金属铜片未覆盖区域设置一个铝电极接线柱，在金属铜片上硫化亚铜薄膜区域之外的区域设置一个铜电极接线柱，铝电极接线柱上引出一根纯铝细丝，纯铝细丝与铝电极接线柱紧密固定，纯铝细丝的末端与硫化亚铜薄膜区域接触，从而构成Cu/Cu2S/Al三层相叠的三明治结构的忆阻器电路。本发明所提出的宏观忆阻器及其数学模型，可以在电路实验室完成忆阻器相关电路的仿真设计与实物器件的电路实验分析。
Description
技术领域
本发明涉及电路与系统领域，尤其是一种忆阻器及其制备方法。
背景技术
在经典电路理论中，基本电路元件包括电阻、电容、电感。1971年，加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡少棠教授根据对于经典电路理论的完备性分析，推测除了上述的三个基本电路元件以外，应该还存在一种能够描述电荷与磁通量关系的电路元件，并将这种电路元件命名为忆阻器。由于早期并无实物忆阻器件，因此忆阻器的相关研究一直没有被学者们所关注。直到2008年HP实验室在Nature上发表文章宣布发现了忆阻器，这一发现掀起了忆阻器相关理论与应用的研究热潮，忆阻器在新型存储器、人工神经网络、基本逻辑电路、混沌电路等领域的应用潜力与价值逐步被人们认识与关注。
忆阻器在电路理论与应用的已有研究中，大多是使用忆阻模型对所讨论的设计进行仿真分析，或是利用有源器件搭建的忆阻等效电路来进行忆阻电路的实验分析；研究中所使用的无源忆阻器件主要是微观器件，器件的制备、测试、分析等研究工作对于实验环境(如对温度、湿度、反应气体环境等条件的要求)、实验设备(如前处理、化学气相淀积、物理气相淀积等)、测试仪器(如探针测试、综合电参数测试仪等)的要求，与基本电路实验中所使用的实验环境(无温度、湿度等要求)、仪器(如示波器、信号源等)并不相同。因此，现在的很多电路研究实验室并不能使用真正的无源忆阻器件来完成实物忆阻电路的搭建、测试与分析。
仅采用忆阻器模型的忆阻电路理论分析往往会忽略真实忆阻器件的某些特性，例如无源忆阻器件主要是“三明治”结构的阻变器件，器件两端的电极会构成极间电容，极间电容的存在会对于实物器件的性能(例如高频信号作用下的电路特性)有所影响，已有的大部分忆阻模型并不能描述极间电容特性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器及制备方法。本发明通过应用基本化学方法制备宏观无源忆阻器，获得可在电路研究实验室中使用的无源实物忆阻器件，帮助研究人员更好的对于存在忆阻器的电路进行实验研究与分析。
基于“Cu/Cu2S/Al”三明治结构的宏观尺度忆阻器器件制作工艺简单，成本低廉，对实验环境的要求也较为宽松，可以在简单的实验环境下获取器件样件用于搭建电路模块与电路系统，为从电路系统角度进行忆阻神经网络以及基于忆阻器仿生电路的研究与开发，提供了一种新的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器，结构为Cu/Cu2S/Al所构成的“三明治”结构的阻变器件；在平整的绝缘基底材料上，绝缘基底的其中一侧表面上设有硫化亚铜层的金属铜片，且金属铜片面积小于绝缘基底材料，将金属铜片腐蚀得到硫化亚铜薄膜区域，硫化亚铜薄膜区域的面积小于金属铜片面积，在绝缘基底材料上金属铜片未覆盖区域设置一个铝电极接线柱，在金属铜片上硫化亚铜薄膜区域之外的区域设置一个铜电极接线柱，铝电极接线柱上引出一根纯铝细丝，纯铝细丝与铝电极接线柱紧密固定，纯铝细丝的末端折成V形，V形的底部与硫化亚铜薄膜区域接触，从而构成Cu/Cu2S/Al三层相叠的三明治结构，即构成无源忆阻器器件，使用时将外围电路与器件结构中的铝电极接线柱和铜电极接线柱相连接，便构成了忆阻器电路。
所述绝缘基底材料为陶瓷、有机材料、玻璃或塑料。
所述Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器的制备方法包括如下步骤：
步骤一，将厚度大于0.6mm的GB/TU2无氧紫铜板裁剪成长宽比为1：5的长方形的试件薄片；
步骤二，试件薄片首先进行整体机械平整和超微细打磨后，将试件薄片任意一端的长度方向的约1/3～1/5部分，用聚乙烯薄膜进行覆膜保护，被覆膜保护部分作为Cu/Cu2S/Al三明治结构中的铜层，并与铜电极接线柱相连接形成忆阻器的铜电极；
步骤三，对试件薄片剩余的约2/3～4/5未覆盖部分，在12g/L的NaOH溶液中进行除油、去脂后，用去离子水清洗去除表面残留的NaOH；再在15％的稀HNO3溶液进行浸泡，以除去表面残留氧化物质，之后采用去离子水清洗去除残留HNO3；
步骤四，将步骤三预处理好的试件薄片在封闭的环境中烘干，并将烘干表面的试片立即埋入密闭容器中99.5％的升华硫超细微粉之中，并压实固定，在30±2℃的环境中，使铜表面与硫进行12小时自然化学反应，化学反应方程为：
经过化学反应后，在试件薄片表面上，呈现靛蓝色均匀致密，附着于一层厚度为100～300微米的硫化亚铜膜层，从而得到Cu/Cu2S/Al结构的Cu/Cu2S结合层；
步骤五，将纯铝细丝进行V字型塑形，并将V字型底部与硫化亚铜薄膜的任意均匀膜层部位进行弹性压合接触，形成Cu/Cu2S/Al“三明治”结构的宏观尺度忆阻器。
本发明还提供一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器的测量方法，具体步骤为：
步骤1：选择测试仪器为信号源和数字存储示波器，其中信号源提供正负5V的正弦波信号，数字存储示波器连接宏观忆阻器两个接线柱；
步骤2：测试电路；
宏观忆阻器的铝电极接线柱与一个定值电阻串联，测试电路中，信号源的输出端连接铜电极接线柱，示波器的两个通路分别测量铜电极和铝电极的电压信号；
步骤3：进行测试；
信号源输出±5V正弦电压激励信号，数字存储示波器测量电压V1为测量系统的输入电压，电压V2正比于流过测量系统的电流I，通过V1、V2即可观察到忆阻测量系统的伏安特性。
本发明还提供Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器的电压电流模型为：
其中式(1)为系统的伏安关系方程，I为流过测量系统的电流，V为施加在测量系统两端的电压，状态变量w∈[0，1]为阻值权重，w＝0表示忆阻器处于高阻状态，w＝1表示忆阻器处于低阻状态，0＜w＜1时，忆阻器处于高、低阻状态之间的过渡变化过程，C为极间电容的电容值，Don、Doff分别为低阻状态和高阻状态时的电导值，Don为常值，Doff为变量；
式(2)给出Doff的变化规律，(khV2+d)/Th为电压V作用下Doff的增长速率，-Doff/Th为由于氧化分解过程而导致的Doff的减小速率，其中kh＞0为待拟合系数，d＞0描述了当电压为0V并且达到稳定状态时的电导值，Th＞0为时间常数，大小反映状态变量的收敛速率；
式(3)给出状态变量w的变化规律，w的状态方程包括增长速率和减小速率两部分，其中Von＞0为正向门限电压，Voff≤0为反向门限电压，电压V大于Von时，状态变量w的增长速率为正常数，电压在区间(0,Von]上时，增长速率与电压成正比关系，其中电压小于0时，增长速率为0，减小速率项与(2)式具有相似的形式，Ton、T1、T2、Toff均大于0，分别为不同电压作用下的时间常数，其中T2仅当Voff＜0时才有意义。
本发明的有益效果在于现有的实物忆阻器实验研究通常都是在微电子实验室进行，利用本发明所提出的宏观忆阻器及其数学模型，可以在电路实验室完成忆阻器相关电路的仿真设计与实物器件的电路实验分析。
附图说明
图1是本发明Cu/Cu2S/Al结构宏观尺度忆阻器制备方法的流程图。
图2是本发明Cu/Cu2S/Al结构宏观尺度忆阻器器件结构示意图。
图3是本发明Cu/Cu2S/Al结构宏观尺度忆阻器器件测量电路示意图。
图4是本发明Cu/Cu2S/Al结构宏观尺度忆阻器伏安特性曲线。
图5是本发明Cu/Cu2S/Al结构宏观尺度忆阻器不同频率正弦信号作用下的宏观忆阻器伏安曲线，其中，图5(a)为2KHz正弦信号作用下的宏观忆阻器伏安曲线，图5(b)为20KHz正弦信号作用下的宏观忆阻器伏安曲线，图5(c)为100KHz正弦信号作用下的宏观忆阻器伏安曲线，图5(d)为500KHz正弦信号作用下的宏观忆阻器伏安曲线，图5(e)为1MHz正弦信号作用下的宏观忆阻器伏安曲线，图5(f)为1.5MHz正弦信号作用下的宏观忆阻器伏安曲线。
其中，1-绝缘基底材料，2-铜片，3-铜电极接线柱，4-硫化亚铜薄膜，5-铝线，6-铝电极接线柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为了能够很好有效地将其用在忆阻器电路特性分析及其应用研究中，对Cu/Cu2S/Al宏观尺度忆阻器的制备与其伏安特性测试实验给出说明，对其忆阻机理进行分析，从电路理论角度出发，探讨了Cu/Cu2S/Al忆阻器的电路模型，并建立其数学模型，为未来忆阻器宏观器件在忆阻器相关研究中的应用提供完整的理论框架与实验步骤。
一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器，结构为Cu/Cu2S/Al所构成的“三明治”结构的阻变器件；在平整的绝缘基底材料上，所述绝缘基底材料为陶瓷、有机材料、玻璃或塑料，绝缘基底的其中一侧表面上设有硫化亚铜层的金属铜片，且金属铜片面积小于绝缘基底材料，将金属铜片腐蚀得到硫化亚铜薄膜区域，硫化亚铜薄膜区域的面积小于金属铜片面积，在绝缘基底材料上金属铜片未覆盖区域设置一个铝电极接线柱，在金属铜片上硫化亚铜薄膜区域之外的区域设置一个铜电极接线柱，铝电极接线柱上引出一根纯铝细丝，纯铝细丝与铝电极接线柱紧密固定，纯铝细丝的末端折成V形，V形的底部与硫化亚铜薄膜区域接触，从而构成Cu/Cu2S/Al三层相叠的三明治结构，即构成无源忆阻器器件，使用时将外围电路与器件结构中的铝电极接线柱和铜电极接线柱相连接，便构成了忆阻器电路。
通常从电路系统角度研究忆阻器电路时候，要么采用器件的数学模型通过仿真进行研究，要么采用微观工艺获得的器件在昂贵的综合测试系统中进行器件电路的探索。这些研究方法，很难真正从电路角度，对忆阻器件的极间特性等影响电路工作的参数，进行深入地探讨与研究。
宏观忆阻器的发明，解决了从电路系统角度去研究忆阻器电路过程中缺乏有效的实物器件的缺陷，为电路系统角度探究忆阻器在电路系统工作过程中所发生的变化与起到的作用，能带来全面、直观地展现。宏观忆阻器的极间特性在电路系统工作中，对信号变化的影响，可以通过电路测量通用设备，被清楚地展现出来。
任何一种器件，必须在电路系统中才能够体现出它的价值。从器件物理与材料工艺角度对忆阻器的研究，已经取得了很大地进展。然而器件不能在电路系统中发挥作用，不能从电路系统角度去认真探究它的机理与工作过程，那么这一器件，始终是无法最终应用到实际电路环境中的。也就始终无法体现它应有的价值。
宏观忆阻器的发明，真正意义上能够让忆阻器在电路系统环境中，充分展现其应用价值，并能够对今后的电路系统发展，开拓出新的拓展方向。
所述Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器的制备方法包括如下步骤：
步骤一，将厚度大于0.6mm，具备保持平整、不易变形特性的GB/TU2无氧紫铜板裁剪成长宽比为1：5的长方形(如：10mm×50mm)的试件薄片；
步骤二，试件薄片首先进行整体机械平整和超微细打磨后，将试件薄片任意一端的长度方向的约1/3～1/5部分，用聚乙烯薄膜进行覆膜保护，被覆膜保护部分作为Cu/Cu2S/Al三明治结构中的铜(Cu)层，并与铜电极接线柱相连接形成忆阻器的铜电极；
步骤三，对试件薄片剩余的约2/3～4/5未覆盖部分，在12g/L的NaOH溶液中进行除油、去脂后，用去离子水清洗去除表面残留的NaOH；再在15％的稀HNO3溶液进行浸泡，以除去表面残留氧化物质，之后采用去离子水清洗去除残留HNO3；
步骤四，将步骤三预处理好的试件薄片在封闭的环境中烘干，并将烘干表面的试片立即埋入密闭容器中99.5％的升华硫超细微粉之中，并压实固定，在30±2℃的环境中，使铜表面与硫进行12小时自然化学反应，化学反应方程为：
经过化学反应后，在试件薄片表面上，呈现靛蓝色均匀致密，附着于一层厚度在100～300微米的硫化亚铜膜层，从而得到Cu/Cu2S/Al结构的Cu/Cu2S结合层；
步骤五，将纯铝细丝(例如GB/T3955-2009电工圆铝线)进行V字型塑形，并将V字型底部与硫化亚铜薄膜的任意均匀膜层部位进行弹性压合接触，形成Cu/Cu2S/Al“三明治”结构的宏观尺度忆阻器。
一种器件能否在电路系统中发挥其应有的价值，器件的基本测试环境很重要。他提供了使用这一器件的基本电路参数信息内容。
本发明还提供一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器的测量方法，具体步骤为：
步骤1：选择测试仪器为信号源和数字存储示波器，其中信号源提供正负5V的正弦波信号，数字存储示波器采集在正弦信号作用下宏观忆阻器两个接线柱的电压变化曲线；
步骤2：测试电路；
宏观忆阻器的铝电极接线柱与一个定值电阻串联，流过宏观忆阻器的电流与流过定值电阻的电流相等，而流过定值电阻的电流与定值电阻两端的电压成正比，因此可利用串联定值电阻两端的电压信息反应流过宏观忆阻器的电流信息，此电路为宏观忆阻器测试电路；测试电路中，信号源的输出端连接铜电极接线柱，示波器的两个通路分别测量铜电极和铝电极的电压信号，宏观忆阻测量电路如图3所示。
步骤3：进行测试；
信号源输出±5V正弦电压激励信号，数字存储示波器测量电压V1为测量系统的输入电压，电压V2正比于流过测量系统的电流I，通过V1、V2即可观察到忆阻测量系统的伏安特性，在正弦信号作用下，如图4所示，伏安特性表现为“8字形”滞回曲线，这是典型的忆阻器伏安特性曲线，因此宏观忆阻器具有忆阻器件的典型特性。随着所施加正弦信号的频率逐渐增大，如图5所示，宏观忆阻器的极间电容对系统的影响逐渐显现出来，高频正弦信号作用下的宏观忆阻器伏安特性表现为忆阻器与电容的并联系统的伏安特性。
现代电子技术的发展，除了对于器件的物理特性有深入地描述外，器件的数学模型成为了器件能否用于电路环境的重要条件。同样的器件，由于观察角度的不同，对于器件所建立的数学模型不尽相同。器件在与电路环境的契合中，模型为器件能否在电路中起到应有的作用以及器件给电路系统带来的正面、负面的效果，通过仿真能够很好地展示出来。
模型通常分为模型方程与模型参数两大部分。模型方程描述了器件的基本物理特征，模型参数表征了环境条件对于器件在电路中正常工作所产生的效果。改变不同的参数，电路的工作状态将发生巨大的改变。因此。器件的数学模型，是表征发明者所发明器件在特定电路环境中所起作用的重要依据。针对本发明的宏观忆阻器，所构建的数学模型对于器件能否在电路中应用，有着重要的作用。
本宏观忆阻器数学模型，针对于存在遗忘特性的“金属1/金属1化合物/金属2”类型三明治结构而构建的，因此，适用于存在遗忘特性的“金属1/金属1化合物/金属2”三明治结构类型的忆阻器。
根据宏观忆阻器结构与基本伏安特性测试结构构建的数学模型，对本结构忆阻器通过仿真体系，在今后的应用研究与电路系统开发方面，提供基础数学模型。该模型可在MATLAB、各种EDA仿真工具中进行应用。
本发明还提供Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器的电压电流数学模型为：
其中式(1)为系统的伏安关系方程，I为流过测量系统的电流，V为施加在测量系统两端的电压，状态变量w∈[0,1]为阻值权重，w＝0表示忆阻器处于高阻状态，w＝1表示忆阻器处于低阻状态，0＜w＜1时，忆阻器处于高、低阻状态之间的过渡变化过程，C为极间电容的电容值，Don、Doff分别为低阻状态和高阻状态时的电导值，Don为常值，Doff为变量；
式(2)给出Doff的变化规律，(khV2+d)/Th为电压V作用下Doff的增长速率，-Doff/Th为由于氧化分解过程而导致的Doff的减小速率，其中kh＞0为待拟合系数，d＞0描述了当电压为0V并且达到稳定状态时的电导值，Th＞0为时间常数，大小反映状态变量的收敛速率；
式(3)给出状态变量w的变化规律，w的状态方程包括增长速率和减小速率两部分，其中Von＞0为正向门限电压，Voff≤0为反向门限电压，电压V大于Von时，状态变量w的增长速率为正常数，电压在区间(0,Von]上时，增长速率与电压成正比关系，其中电压小于0时，增长速率为0，减小速率项与(2)式具有相似的形式，Ton、T1、T2、Toff均大于0，分别为不同电压作用下的时间常数，其中T2仅当Voff＜0时才有意义。
本模型是基于Cu/Cu2S/Al结构宏观尺度忆阻器构建的忆阻器数学模型，适用于存在遗忘特性的“金属1/金属1化合物/金属2”结构宏观尺度忆阻器。本模型除了给出了基本模型方程与模型参数体系外，模型在忆阻器件记忆与遗忘特征上面，体现出了其良好的特征描述。这将为忆阻器件这一“类神经元”器件，在今后的人工智能硬件电路开发方面，提供新的仿真与分析手段。
实施例如下：
结合附图对Cu/Cu2S/Al宏观尺度忆阻器的制备与其伏安特性测试实验给出详细说明，对其忆阻机理进行分析，从电路理论角度出发，探讨了Cu/Cu2S/Al忆阻器的电路模型，并建立其数学模型。
1、器件制备
采用化学反应薄膜生长工艺方法制备器件
步骤一，将厚度0.8mm的GB/TU2无氧紫铜板裁剪成10mm×50mm的试件薄片。
步骤二，试件首先进行机械平整、超微细打磨后，将试件长度方向的1/5部分进行覆膜保护(作为底层电极)。
步骤三，对剩余的4/5部分，在12g/L的NaOH溶液中进行除油、去脂后用去离子水清洗；再在15％的稀HNO3溶液进行浸泡，以除去表面残留氧化物质，之后去离子水清洗。
步骤四，将预处理好的试片在相对封闭的环境中烘干，并将烘干表面的试片尽快埋入密闭容器中99.5％的升华硫超细微粉之中压实固定，于30±2℃的环境中进行12小时反应。后得到呈现靛蓝色表面均匀致密，厚度约在100～300微米左右的硫化亚铜膜层。
步骤五，将GB/T3955-2009电工圆铝线进行V字型塑形，并将V字型底部与硫化亚铜薄膜压合接触，形成Cu/Cu2S/Al“三明治”结构的宏观尺度忆阻器。图2给出了Cu/Cu2S/Al“三明治”结构的宏观尺度忆阻器结构示意图。
2、测试方法
测试的目的是为了观察宏观尺度忆阻器的伏安特性，测量过程中，为了将电流信号转换为电压信号，忆阻试件与一个定值电阻串联，构成忆阻测量系统，图3给出实验测量电路示意图，信号源输出正弦信号，示波器测量电压V1为测量系统的输入电压，电压V2正比于流过测量系统的电流I，通过V1、V2即可观察到忆阻测量系统的伏安特性。
3、实验现象与分析
3.1忆阻伏安特性
Cu/Cu2S/Al宏观尺度忆阻器的伏安曲线为具有忆阻特征的“8字型”曲线，且曲线不关于原点对称，图4给出宏观忆阻器的典型伏安关系曲线，其中，铜电极电位高于铝电极电位时电压为正。一个周期内的伏安曲线变化规律如下：电压信号由0开始逐渐增大的一段时间内，电流值较小，此时忆阻器保持在高阻状态(图4①段)；当达到正向门限电压后，电流逐渐增大，忆阻器进入高阻向低阻的过渡状态，电阻值逐渐减小，最终达到低阻状态(图4②段)；之后，忆阻器保持为低阻状态(图4③段)，直到电压下降至反向门限电压后，忆阻器的阻值开始逐渐增大，最终回到高阻状态(图4④段)，并保持为高阻状态(图4⑤段)，直到再次达到正向门限电压。
在低阻状态时的伏安关系(图4③段)基本上为一条直线，故低阻状态时忆阻器的电阻近乎为定值；而高阻时的伏安曲线(图4①、⑤段)呈非线性关系，因此高阻状态时忆阻器的阻值随电压的变化而变化。
3.2频率对伏安特性的影响
施加在宏观忆阻器两端的信号的频率变化会对于忆阻器伏安特性曲线有所影响。图5给出宏观忆阻器在不同频率的正弦信号作用下所观测到的伏安曲线。
宏观忆阻器的伏安曲线随着施加在忆阻器两端的信号频率的增大而先后经历“窄-宽-窄”的变化过程。正、反向门限电压会随频率的不同而变化，正向门限电压有随频率的增大而增大的变化趋势，反向门限电压在频率较低时近乎为0，频率较高时反向门限电压小于0，由于门限电压随频率的变化，忆阻器的伏安曲线随频率的增大而横向变宽，如图5(a)-(b)所示；当频率进一步增大时，信号变化速率快于高阻向低阻状态的转化速率，器件仅在高阻状态附近变化，如图5(c)所示，此时的电流变化范围(或电压V2的变化范围)比前面小了一个数量级，伏安曲线纵向变窄。另一方面，在频率更大时，“8”字型伏安曲线的交点偏离原点进入第一象限，且频率越大，偏离得越远，最终变成一条无交叉的封闭曲线，如图5(d)-(f)所示。
4、宏观忆阻器电压电流数学模型为
其中(1)式为系统的伏安关系方程，I为流过测量系统的电流，V为施加在测量系统两端的电压，状态变量w∈[0,1]为阻值权重，w＝0表示忆阻器处于高阻状态，w＝1表示忆阻器处于低阻状态，0＜w＜1时，忆阻器处于高、低阻状态之间的过渡变化过程。C为极间电容的电容值，Don、Doff分别为低阻状态和高阻状态时的电导值，Don为常值，Doff为变量。(2)式给出Doff的变化规律，(khV2+d)/Th为电压V作用下Doff的增长速率，-Doff/Th为由于氧化分解过程而导致的Doff的减小速率，其中kh＞0为待拟合系数，d＞0为电压为0时达到稳定状态时的电导值，Th＞0为时间常数，其大小反映状态变量的收敛速率。(3)式给出状态变量w的变化规律，w的状态方程也包括增长速率和减小速率两部分，其中Von＞0、Voff≤0分别为正、反向门限电压，电压大于Von时，状态变量w的增长速率为正常数，电压在区间(0,Von]上时，增长速率与电压成正比关系，其中电压小于0时，增长速率为0，减小速率项与(2)式具有相似的形式，Ton、T1、T2、Toff均大于0，为不同电压作用下的时间常数，其中T2仅当Voff＜0时才有意义。
Claims (5)
1.一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器，其特征在于：
所述Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器，结构为Cu/Cu2S/Al所构成的“三明治”结构的阻变器件；在平整的绝缘基底材料上，绝缘基底的其中一侧表面上设有硫化亚铜层的金属铜片，且金属铜片面积小于绝缘基底材料，将金属铜片腐蚀得到硫化亚铜薄膜区域，硫化亚铜薄膜区域的面积小于金属铜片面积，在绝缘基底材料上金属铜片未覆盖区域设置一个铝电极接线柱，在金属铜片上硫化亚铜薄膜区域之外的区域设置一个铜电极接线柱，铝电极接线柱上引出一根纯铝细丝，纯铝细丝与铝电极接线柱紧密固定，纯铝细丝的末端折成V形，V形的底部与硫化亚铜薄膜区域接触，从而构成Cu/Cu2S/Al三层相叠的三明治结构，即构成无源忆阻器器件，使用时将外围电路与器件结构中的铝电极接线柱和铜电极接线柱相连接，便构成了忆阻器电路。
2.根据权利要求1所述的Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器，其特征在于：
所述绝缘基底材料为陶瓷、有机材料、玻璃或塑料。
3.一种利用权利要求1所述Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一，将厚度大于0.6mm的GB/TU2无氧紫铜板裁剪成长宽比为1：5的长方形的试件薄片；
步骤二，试件薄片首先进行整体机械平整和超微细打磨后，将试件薄片任意一端的长度方向的1/3～1/5部分，用聚乙烯薄膜进行覆膜保护，被覆膜保护部分作为Cu/Cu2S/Al三明治结构中的铜层，并与铜电极接线柱相连接形成忆阻器的铜电极；
步骤三，对试件薄片剩余的2/3～4/5未覆盖部分，在12g/L的NaOH溶液中进行除油、去脂后，用去离子水清洗去除表面残留的NaOH；再在15％的稀HNO3溶液进行浸泡，以除去表面残留氧化物质，之后采用去离子水清洗去除残留HNO3；
步骤四，将步骤三预处理好的试件薄片在封闭的环境中烘干，并将烘干表面的试片立即埋入密闭容器中99.5％的升华硫超细微粉之中，并压实固定，在30±2℃的环境中，使铜表面与硫进行12小时自然化学反应，化学反应方程为：
经过化学反应后，在试件薄片表面上，呈现靛蓝色均匀致密，附着于一层厚度为100～300微米的硫化亚铜膜层，从而得到Cu/Cu2S/Al结构的Cu/Cu2S结合层；
步骤五，将纯铝细丝进行V字型塑形，并将V字型底部与硫化亚铜薄膜的任意均匀膜层部位进行弹性压合接触，形成Cu/Cu2S/Al“三明治”结构的宏观尺度忆阻器。
4.一种利用权利要求1所述Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器的测量方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：选择测试仪器为信号源和数字存储示波器，其中信号源提供正负5V的正弦波信号，数字存储示波器连接宏观忆阻器两个接线柱；
步骤2：测试电路；
宏观忆阻器的铝电极接线柱与一个定值电阻串联，测试电路中，信号源的输出端连接铜电极接线柱，示波器的两个通路分别测量铜电极和铝电极的电压信号；
步骤3：进行测试；
信号源输出±5V正弦电压激励信号，数字存储示波器测量电压V1为测量系统的输入电压，电压V2正比于流过测量系统的电流I，通过V1、V2即可观察到忆阻测量系统的伏安特性。
5.根据权利要求1所述的Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器，其特征在于：
Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器的电压电流模型为：
其中式(1)为系统的伏安关系方程，I为流过测量系统的电流，V为施加在测量系统两端的电压，状态变量w∈[0,1]为阻值权重，w＝0表示忆阻器处于高阻状态，w＝1表示忆阻器处于低阻状态，0<w<1时，忆阻器处于高、低阻状态之间的过渡变化过程，C为极间电容的电容值，Don、Doff分别为低阻状态和高阻状态时的电导值，Don为常值，Doff为变量；
式(2)给出Doff的变化规律，(khV2+d)/Th为电压V作用下Doff的增长速率，-Doff/Th为由于氧化分解过程而导致的Doff的减小速率，其中kh>0为待拟合系数，d>0描述了当电压为0V并且达到稳定状态时的电导值，Th>0为时间常数，大小反映状态变量的收敛速率；
式(3)给出状态变量w的变化规律，w的状态方程包括增长速率和减小速率两部分，其中Von>0为正向门限电压，Voff≤0为反向门限电压，电压V大于Von时，状态变量w的增长速率为正常数，电压在区间(0,Von]上时，增长速率与电压成正比关系，其中电压小于0时，增长速率为0，减小速率项与(2)式具有相似的形式，Ton、T1、T2、Toff均大于0，分别为不同电压作用下的时间常数，其中T2仅当Voff<0时才有意义。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111000108.7A CN113823737B (zh) | 2021-08-26 | 2021-08-26 | 一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111000108.7A CN113823737B (zh) | 2021-08-26 | 2021-08-26 | 一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113823737A CN113823737A (zh) | 2021-12-21 |
| CN113823737B true CN113823737B (zh) | 2023-09-05 |
Family
ID=78923452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111000108.7A Active CN113823737B (zh) | 2021-08-26 | 2021-08-26 | 一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113823737B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103337589A (zh) * | 2013-06-27 | 2013-10-02 | 合肥工业大学 | 基于硫属亚铜化合物的准一维纳米阻变存储器与制备方法 |
| CN106299114A (zh) * | 2016-09-09 | 2017-01-04 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种忆阻器 |
| CN106654009A (zh) * | 2016-12-19 | 2017-05-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种忆阻器及其应用 |
| CN110047993A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-23 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种忆阻器及其制备方法和应用 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10930343B2 (en) * | 2018-08-21 | 2021-02-23 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Symmetric bipolar switching in memristors for artificial intelligence hardware |
| CN110518117B (zh) * | 2019-08-22 | 2021-06-11 | 华中科技大学 | 一种二维材料异质结的忆阻器及其制备方法 |
-
2021
- 2021-08-26 CN CN202111000108.7A patent/CN113823737B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103337589A (zh) * | 2013-06-27 | 2013-10-02 | 合肥工业大学 | 基于硫属亚铜化合物的准一维纳米阻变存储器与制备方法 |
| CN106299114A (zh) * | 2016-09-09 | 2017-01-04 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种忆阻器 |
| CN106654009A (zh) * | 2016-12-19 | 2017-05-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种忆阻器及其应用 |
| CN110047993A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-23 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种忆阻器及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "Vertical MoS2 Double-Layer Memristor with Electrochemical Metallization as an Atomic-Scale Synapse with Switching Thresholds Approaching 100 mV";Renjing Xu等;《Nano Letters》;第19卷;2411-2417页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113823737A (zh) | 2021-12-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Valov et al. | Nanobatteries in redox-based resistive switches require extension of memristor theory | |
| Chua | The fourth element | |
| Rao et al. | An electroforming-free, analog interface-type memristor based on a SrFeOx epitaxial heterojunction for neuromorphic computing | |
| CN103063950B (zh) | 一种忆阻器器件单元的电学特性测试方法 | |
| Islam et al. | A novel sol–gel thin-film constant phase sensor for high humidity measurement in the range of 50%–100% RH | |
| CN113823737B (zh) | 一种Cu/Cu2S/Al结构宏观忆阻器及制备方法 | |
| Sueoka et al. | Natural biomaterial honey-based resistive switching device for artificial synapse in neuromorphic systems | |
| Nenov et al. | Multi-objective optimization of the parameters of TiO2-based ceramic humidity sensors | |
| Bailey et al. | Understanding synaptic mechanisms in SrTiO 3 RRAM devices | |
| US20200256826A1 (en) | Pulse-driven capacitive detection for field-effect transistors | |
| US11156574B2 (en) | Apparatus for characterizing the electrical resistance of a measurement object | |
| CN110579652A (zh) | 一种表面电荷的测量方法和测量装置 | |
| Manouras et al. | Technology agnostic frequency characterization methodology for memristors | |
| Prusakova et al. | Towards low voltage resistive switch in sol-gel derived TiO2/Ta2O5 stack thin films | |
| Zhao et al. | Memristor based on a layered FePS3 2D material with dual modes of resistive switching | |
| Madriz et al. | Circuit modeling of high-frequency electrical conduction in carbon nanofibers | |
| Wan et al. | (Bi0. 2Sb0. 8) 2Te3 based dynamic synapses with programmable spatio-temporal dynamics | |
| Ghosh et al. | Ion intercalation enabled tunable frequency response in lithium niobite memristors | |
| Antohe et al. | Circuit modeling on polyaniline functionalized nanowire-templated micro-interdigital capacitors for pH sensing | |
| Das et al. | Study of electrical equivalent model of the PMMA coated probe dipped in milk and milk adulterated with tap water | |
| CN111487284B (zh) | 一种相变材料纳米线组装、测试装置及方法 | |
| Stević et al. | Modeling and sensing of electrochemical processes upon dirac potentiostatic excitation of capacitive charging/discharging | |
| Chang et al. | The effect of 3D interdigitated microelectrodes on electrochemical impedance spectroscopy | |
| Liu et al. | Highly flexible and robust HfOx-based memristor for wearable in-memory computing | |
| Das et al. | Study of electrical equivalent model of the PMMA coated probe dipped in milk and milk adulterated with urea |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |