CN115548213A - 一种忆阻器及其制作方法、电器件 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及忆阻器领域，公开了一种忆阻器及其制作方法、电器件，包括：获得忆阻器预制结构体，所述忆阻器预制结构体包括3D钙钛矿薄膜；在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。本申请中的制作方法通过在3D钙钛矿薄膜的表面形成2D钙钛矿薄膜，并且2D钙钛矿薄膜与3D钙钛矿薄膜两者之间形成钙钛矿异质结薄膜，2D钙钛矿薄膜起到界面钝化层的作用，可以有效的改善钙钛矿异质结薄膜的疏水性，从而延长忆阻器的使用寿命；同时，2D钙钛矿薄膜还可以改善3D钙钛矿薄膜的表面形貌，提升覆盖均匀度，使制得忆阻器具有优异的开关性能。
Description
技术领域
本申请涉及忆阻器领域，特别是涉及一种忆阻器及其制作方法、电器件。
背景技术
忆阻器，全称记忆电阻器（Memristor），具有架构简单、存算一体、开关切换速率高、耐用性强、集成密度高、功耗低等特性，被认为是非常有前途的下一代非易失性存储器件。HOIPs（hybrid organic–inorganic perovskites ，有机无机杂化物钙钛矿）一种优异的忆阻材料，可以通过光子、电子和离子过程的协同耦合，具有优异光吸收能力，并且可以开发出很多新颖独特的功能。因此钙钛矿忆阻器正在成为研究的重点。
虽然钙钛矿忆阻器具有一些独特的、优异的性能，但是，由于钙钛矿具有较低的形成能，且晶格结构不稳定，使其容易受到外部环境因素的影响，尤其是水分子不可避免地会保留在钙钛矿薄膜中。在钙钛矿忆阻器中的游离水分子不仅会分解钙钛矿阻变层，使其使用寿命缩短，甚至还会引发金属电极的氧化反应破坏器件结构，从而导致钙钛矿忆阻器在实际应用受到严峻的挑战。
因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
发明内容
本申请的目的是提供一种忆阻器及其制作方法、电器件，以延长忆阻器的使用寿命，提升忆阻器的开关性能。
为解决上述技术问题，本申请提供一种忆阻器制作方法，包括：
获得忆阻器预制结构体，所述忆阻器预制结构体包括3D钙钛矿薄膜；
在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
可选的，获得忆阻器预制结构体之前，还包括：
在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液；
旋转所述第一电极，以使钙钛矿前驱液在所述第一电极的上表面匀开，并在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液，并进行退火形成所述3D钙钛矿薄膜，得到所述忆阻器预制结构体。
可选的，旋转所述第一电极包括：
按照转速递增的方式旋转所述第一电极。
可选的，旋转所述第一电极包括：
匀速旋转所述第一电极。
可选的，按照转速递增方式旋转所述第一电极包括：
在第一转速下旋转所述第一电极，旋转时间为第一时间；
在第二转速下旋转所述第一电极，旋转时间为第二时间，所述第一转速小于所述第二转速，所述第一时间小于所述第二时间。
可选的，在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液包括：
当所述第一电极在所述第二转速下旋转时，向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液。
可选的，在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液之前，还包括：
在基板上制作所述第一电极；
预热所述第一电极至预设温度。
可选的，预热所述第一电极至预设温度之前，还包括：
清洁所述第一电极和所述基板，去除所述第一电极和所述基板表面的脏污。
可选的，清洁所述第一电极和所述基板包括：
依次使用洗涤剂、去离子水、乙醇和丙酮溶液清洗所述基板和所述第一电极；
去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液。
可选的，去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液包括：
吹干所述基板和所述第一电极。
可选的，去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液包括：
烘干所述基板和所述第一电极。
可选的，去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液之后，还包括：
对所述第一电极和所述基板再次进行清洁。
可选的，在基板上制作所述第一电极包括：
利用磁控溅射法、化学气相沉积法、蒸镀法中的任一种方式，在基板上制作所述第一电极。
可选的，在所述第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液之前，还包括：
将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并搅拌均匀，得到钙钛矿前驱液，其中，PbI2和MAI的摩尔质量比1.1:1，DMF和DMSO的体积比为4:1。
可选的，将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并搅拌均匀包括：
将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并在加热条件下搅拌均匀。
可选的，在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜包括：
在所述3D钙钛矿薄膜的表面滴有机铵盐前驱液；
旋转所述忆阻器预制结构体，以使所述有机铵盐前驱液在所述3D钙钛矿薄膜的表面匀开，并进行退火，形成2D钙钛矿薄膜。
可选的，在所述3D钙钛矿薄膜的表面滴有机铵盐前驱液之前，还包括：
将PMAI溶解于IPA中并搅拌均匀，得到有机铵盐前驱液。
可选的，在所述2D钙钛矿薄膜上制作第二电极时包括：
利用物理气相沉积法或蒸镀法，在所述2D钙钛矿薄膜的表面制作第二电极。
本申请还提供一种忆阻器，所述忆阻器采用上述任一种所述的忆阻器制作方法制得。
本申请还提供一种电器件，所述电器件包括上述所述的忆阻器。
本申请所提供的一种忆阻器制作方法，包括：获得忆阻器预制结构体，所述忆阻器预制结构体包括3D钙钛矿薄膜；在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
可见，本申请中的制作方法通过在3D钙钛矿薄膜的表面形成2D钙钛矿薄膜，并且2D钙钛矿薄膜与3D钙钛矿薄膜两者之间形成钙钛矿异质结薄膜，2D钙钛矿薄膜起到界面钝化层的作用，可以有效的改善钙钛矿异质结薄膜的疏水性，从而延长忆阻器的使用寿命；同时，2D钙钛矿薄膜还可以改善3D钙钛矿薄膜的表面形貌，提升覆盖均匀度，使制得忆阻器具有优异的开关性能。
此外，本申请还提供一种具有上述优点的忆阻器和电器件。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种忆阻器制作方法的流程图；
图2为本申请实施例所提供的另一种忆阻器制作方法的流程图；
图3为本申请实施例所提供的另一种忆阻器制作方法的流程图；
图4为本申请实施例所提供的另一种忆阻器制作方法的流程图；
图5为本申请实施例所提供的另一种忆阻器制作方法的流程图；
图6为本申请实施例所提供的另一种忆阻器制作方法的流程图；
图7为本申请实施例所提供的另一种忆阻器制作方法的流程图；
图8为本申请实施例中3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜在扫描电子显微镜下的形貌图；
图9为本申请实施例中3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜的XRD图；
图10为本申请实施例中3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜的接触角测试对比图；
图11为本申请实施例中Au/HOIPs/ITO忆阻器的电流-电压特性图；
图12为本申请实施例所提供的一种忆阻器的结构示意图；
图中，1.第一电极、2.钙钛矿异质结薄膜、3.第二电极。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
忆阻器的基本工作原理源自于电阻阻值的可控变化、可逆双稳态和非挥发性特性的电阻转换效应（resistance switching，RS）。
正如背景技术部分所述，由于钙钛矿具有较低的形成能，且晶格结构不稳定，其中游离的水分子不仅会分解钙钛矿阻变层，使其使用寿命缩短，甚至还会引发金属电极的氧化反应破坏器件结构，从而导致钙钛矿忆阻器在实际应用受到严峻的挑战。
3D钙钛矿材料碘铅甲胺（CH3NH3PbI3 ，简称MAPbI3）是一种HOIPs，具有离子迁移、介电、铁电等独特的半导体特性以及混合离子电子传导能力与光敏性相结合的特性，是目前研究的热点。
在MAPbI3中，由于胺盐的吸湿性使得MAPbI3经受水分辅助降解，其中甲胺基团通过升华而损失并形成PbI2。钙钛矿的高亲水性可导致材料容易从周围环境吸收水分并诱导形成类似于
的水合物产物。由于易水解和对氧气环境的敏感性，HOIPs受到严重影响。钙钛矿通过水解反应降解可以由以下化学方程式表示：
有鉴于此，本申请提供了一种忆阻器制作方法，请参考图1，该方法包括：
步骤S101：获得忆阻器预制结构体，所述忆阻器预制结构体包括3D钙钛矿薄膜。
3D钙钛矿薄膜可以为MAPbI3薄膜，厚度可以为300 nm。
需要指出的是，忆阻器预制结构体还包括第一电极，3D钙钛矿薄膜位于第一电极的上表面。
第一电极可以为透明导电电极ITO（Indium tin oxide，氧化铟锡），ITO是一种N型氧化物半导体，具有很好的导电性和透光性。第一电极一般由基板支撑，基板包括但不限于玻璃。
忆阻器预制结构体可以是直接用已经制作完成的，也可以通过制作得到，本申请中不做限定。
步骤S102：在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
需要指出的是，本步骤在氮气环境中进行，可以在通有氮气的手套箱中进行操作。
2D钙钛矿薄膜为有机铵盐溶液形成的薄膜，3D钙钛矿薄膜为MAPbI3薄膜，MAPbI3薄膜表面存在过量的PbI2，机铵盐与MAPbI3薄膜表面过量的PbI2形成2D钙钛矿薄膜，构成了2D-3D钙钛矿异质结薄膜。
有机铵盐包括但不限于PMAI（苯甲基碘化胺）等长链有机铵盐。
需要指出的是，忆阻器还包括位于2D钙钛矿薄膜的表面的第二电极。在所述2D钙钛矿薄膜上制作第二电极时包括：
利用物理气相沉积法或蒸镀法，在所述2D钙钛矿薄膜的表面制作第二电极。
制作第二电极时，使用带有镂空的掩膜板覆盖在2D钙钛矿薄膜的表面，第二电极位于2D钙钛矿薄膜对应镂空的区域。第二电极可以为金电极。
本申请中的制作方法通过在3D钙钛矿薄膜的表面形成2D钙钛矿薄膜，并且2D钙钛矿薄膜与3D钙钛矿薄膜两者之间形成钙钛矿异质结薄膜，2D钙钛矿薄膜起到界面钝化层的作用，可以有效的改善钙钛矿异质结薄膜的疏水性，从而延长忆阻器的使用寿命；同时，2D钙钛矿薄膜还可以改善3D钙钛矿薄膜的表面形貌，提升覆盖均匀度，使制得忆阻器具有优异的开关性能。
请参考图2，在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，该方法包括：
步骤S201：在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液。
钙钛矿前驱液为包括PbI2（碘化铅）和MAI（methylammonium iodide，甲基碘化胺）的溶液。
需要指出的是，本步骤在氮气环境中进行，可以在通有氮气的手套箱中进行操作。在第一电极处于静止状态下，向第一电极表面滴钙钛矿前驱液。
需要说明的是，钙钛矿前驱液可以直接使用他人配置完成的，也可以在制作忆阻器的过程中自行配置，本申请中不做具体限定。
步骤S202：旋转所述第一电极，以使钙钛矿前驱液在所述第一电极的上表面匀开，并在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液，并进行退火形成3D钙钛矿薄膜，得到所述忆阻器预制结构体。
本实施例中的3D钙钛矿薄膜采用反溶剂旋涂法制作形成，反溶剂溶液的作用是将钙钛矿前驱液中的钙钛矿萃取出来，使得在第一电极上只剩下钙钛矿，以便形成3D钙钛矿薄膜。
反溶剂溶液可以为氯苯溶液，氯苯溶液的滴加量可以为150μL。
退火温度可以在90摄氏度至110摄氏度，例如100摄氏度。
需要说明的是，在旋转第一电极时，本申请中对第一电极的旋转方式不做限定。
可选的，作为一种可实施方式，旋转所述第一电极包括：
匀速旋转所述第一电极。
第一电极的转速本申请中不做具体限定，只要能将钙钛矿前驱液均匀铺在第一电极的上表面即可。例如，第一电极的转速可以为1000转/分钟，或者1200转/分钟，或者1300转/分钟等等。
在旋转第一电极的过程中，钙钛矿前驱液均匀旋涂在第一电极的表面，并且，钙钛矿前驱液中的DMF和DMSO挥发掉。反溶剂溶液在钙钛矿前驱液均匀旋涂在第一电极的表面后再进行滴加，以将钙钛矿前驱液中的钙钛矿萃取出来，使其均匀分布在第一电极的表面。
可选的，作为另一种可实施方式，旋转所述第一电极包括：
按照转速递增的方式旋转所述第一电极，以利于钙钛矿前驱液中DMF和DMSO的挥发。
需要指出的是，本申请中对旋转第一电极时转速的数量不做限定，例如，可以用到两个不同的转速旋转第一电极，或者用到三个不同的转速旋转第一电极等。
作为一种具体实施方式，按照转速递增方式旋转所述第一电极包括：
在第一转速下旋转所述第一电极，旋转时间为第一时间；
在第二转速下旋转所述第一电极，旋转时间为第二时间，所述第一转速小于所述第二转速，所述第一时间小于所述第二时间。
在第一旋转时间内、第一转速下，可以将钙钛矿前驱液均匀的平铺在第一电极的表面，在第二旋转时间内、第二转速下，将钙钛矿前驱液中的DMF和DMSO挥发掉。其中，第一转速可以为1000转/分钟，第一时间可以为10秒，第二转速可以为4000转/分钟，第二时间可以为35秒。
当采用两种不同的转速旋转第一电极时，在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液包括：
当所述第一电极在所述第二转速下旋转时，向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液。
在第一电极在第二转速下滴加反溶剂溶液的目的是，钙钛矿前驱液已经在第一时间内均匀旋涂在第一电极的上表面，在第二转速下滴加，将钙钛矿前驱液中的钙钛矿萃取出来，使其均匀分布在第一电极的表面。
例如，当第二时间为35秒时，可以在第二时间的第25秒至30秒滴加反溶剂溶液。
步骤S203：在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
需要说明的是，步骤S203可参考上述实施例的内容，此处不再详细赘述。
请参考图3，在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，忆阻器制作方法包括：
步骤S301：将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并搅拌均匀，得到钙钛矿前驱液。
其中，PbI2和MAI的摩尔质量比1.1:1，DMF和DMSO的体积比为4:1。DMF（N,N-Dimethylformamide） 为N,N-二甲基甲酰胺，DMSO（Dimethyl sulfoxide）为二甲基亚砜。
在将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中时，可以在常温下搅拌，使得PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液。
为了加快PbI2和MAI的溶解，作为一种可实施方式，将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并搅拌均匀包括：
将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并在加热条件下搅拌均匀。其中，加热温度可以在50摄氏度至65摄氏度之间。
步骤S302：在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液。
步骤S303：旋转所述第一电极，以使钙钛矿前驱液在所述第一电极的上表面匀开，并在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液，并进行退火形成3D钙钛矿薄膜，得到所述忆阻器预制结构体。
步骤S304：在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
需要说明的是，步骤S302、S303、S304可参考上述实施例的内容，此处不再详细赘述。
本实施例中的忆阻器制作方法，在制作过程中自行配置钙钛矿前驱液，即配置即使用，避免钙钛矿前驱液放置时间太久，影响3D钙钛矿薄膜的品质，进而提升忆阻器的品质。
请参考图4，在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，忆阻器制作方法包括：
步骤S401：在基板上制作所述第一电极。
可选的，在基板上制作所述第一电极包括：
利用磁控溅射法、化学气相沉积法、蒸镀法中的任一种方式，在基板上制作所述第一电极。
其中，基板可以为玻璃基板。
步骤S402：预热所述第一电极至预设温度。
预设温度可以为制备钙钛矿前驱体溶液时，在加热条件下搅拌PbI2和MAI在DMF和DMSO混合溶液中时的温度，使得钙钛矿前驱液的温度与第一电极的温度相近，边缘钙钛矿前驱液在第一电极上旋涂均匀。
可选的，预设温度可以在50摄氏度至65摄氏度之间。
步骤S403：在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液。
步骤S404：旋转所述第一电极，以使钙钛矿前驱液在所述第一电极的上表面匀开，并在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液，并进行退火形成3D钙钛矿薄膜，得到所述忆阻器预制结构体。
步骤S405：在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
需要说明的是，步骤S401、S403、S404、S405可参考上述实施例的内容，此处不再详细赘述。
请参考图5，在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，忆阻器制作方法包括：
步骤S501：在基板上制作所述第一电极。
步骤S502：清洁所述第一电极和所述基板，去除所述第一电极和所述基板表面的脏污。
需要说明的是，本申请中对第一电极和基板的清洁方式不做限定，例如，可以直接利用去离子水冲洗进行清洁。为了将第一电极和基板表面的脏污去除的更干净，清洁所述第一电极和所述基板包括：
依次使用洗涤剂、去离子水、乙醇和丙酮溶液清洗所述基板和所述第一电极；
去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液。
洗涤剂、去离子水、乙醇和丙酮溶液每次清洗时，可以利用超声波清洗机进行清洗，清洗时间可以为15分钟。
可选的，作为一种可实施方式，去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液包括：吹干所述基板和所述第一电极，其中，可以利用氮气等活性较低的气体吹干基板和第一电极，以避免对第一电极造成不良影响。但是，本申请对此并不做具体限定，作为一种可实施方式，去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液包括：烘干所述基板和所述第一电极，其中，烘干温度可以为80摄氏度至90摄氏度之间。
为了进一步对第一电极进行清洁，去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液之后，还包括：
对所述第一电极和所述基板再次进行清洁。
可以利用UV（Ultraviolet Rays，紫外光线）臭氧机进行再次清洁，清洁时间可以为20分钟。
步骤S503：预热所述第一电极至预设温度。
步骤S504：在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液。
步骤S505：旋转所述第一电极，以使钙钛矿前驱液在所述第一电极的上表面匀开，并在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液，并进行退火形成3D钙钛矿薄膜，得到所述忆阻器预制结构体。
步骤S506：在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
需要说明的是，步骤S501、S503、S504、S505、S506可参考上述实施例的内容，此处不再详细赘述。
本实施例中的忆阻器制作方法，在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液之前，对第一电极和基板进行清洁，可以使得3D钙钛矿薄膜更好的形成在第一电极上，增强第一电极和3D钙钛矿薄膜之间的结合性。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，请参考图6，忆阻器制作方法包括：
步骤S601：将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并搅拌均匀，得到钙钛矿前驱液。
步骤S602：在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液。
步骤S603：旋转所述第一电极，以使钙钛矿前驱液在所述第一电极的上表面匀开，并在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液，并进行退火形成3D钙钛矿薄膜，得到所述忆阻器预制结构体。
步骤S604：在所述3D钙钛矿薄膜的表面滴有机铵盐前驱液。
有机铵盐前驱液可以为PMAI等长链有机铵盐的溶液。需要指出的是，有机铵盐前驱液既可以直接使用他人已经配置好的，也可以在制作过程中自行进行配置。
步骤S605：旋转所述忆阻器预制结构体，以使所述有机铵盐前驱液在所述3D钙钛矿薄膜的表面匀开，并进行退火，形成2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
忆阻器预制结构体的旋转速度可以为4000转/分钟，旋转时间可以为30秒，以在退火后形成均匀的2D钙钛矿薄膜。2D钙钛矿薄膜的厚度约10 nm。
需要说明的是，步骤S601、S602、S603、S605可参考上述实施例的内容，此处不再详细赘述。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，请参考图7，忆阻器制作方法包括：
步骤S701：将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并搅拌均匀，得到钙钛矿前驱液。
步骤S702：将PMAI溶解于IPA中并搅拌均匀，得到有机铵盐前驱液。
例如，可以将5mg PMAI溶解于1mL IPA（异丙醇）中充分搅拌2小时形成有机铵盐前驱液。
步骤S703：在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液。
步骤S704：旋转所述第一电极，以使钙钛矿前驱液在所述第一电极的上表面匀开，并在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液，并进行退火形成3D钙钛矿薄膜，得到所述忆阻器预制结构体。
步骤S705：在所述3D钙钛矿薄膜的表面滴有机铵盐前驱液。
步骤S706：旋转所述忆阻器预制结构体，以使所述有机铵盐前驱液在所述3D钙钛矿薄膜的表面匀开，并进行退火，形成2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
需要说明的是，步骤S701、S703、S704、S705、S706可参考上述实施例的内容，此处不再详细赘述。
本实施例中的忆阻器制作方法，在制作过程中自行配置有机铵盐前驱液，即配置即使用，避免有机铵盐前驱液放置太久，影响2D钙钛矿薄膜的品质，进而提升忆阻器的品质。
下面以一具体情况，对本申请中的忆阻器制作方法进行阐述。
步骤1、通过磁控溅射的方法在玻璃基板上形成ITO薄膜，ITO薄膜作为第一电极；
步骤2、在超声波清洗机中依次使用洗涤剂、去离子水、乙醇和丙酮溶液清洗ITO薄膜/玻璃基板，每次清洗时长15分钟；
步骤3、使用氮气吹干清洗完成的ITO薄膜/玻璃基板并放置培养皿中备用，然后将干燥的ITO薄膜/玻璃基板移至UV臭氧机中处理20分钟；
步骤4、将ITO薄膜/玻璃基板从UV臭氧机中转移到氮气手套箱中，并放置到加热台上进行预热以备用，预热温度为60℃；
步骤5、将PbI2和MAI以1.1:1的摩尔质量比溶解于体积比为4:1的DMF和DMSO混合溶剂中，在60℃的加热条件下搅拌2小时，得到钙钛矿MAPbI3的前驱液；
步骤6、将5mg PMAI溶解于1mL IPA中充分搅拌2小时形成有机铵盐PMAI前驱液；
步骤7、氮气手套箱中采用反溶剂旋涂工艺制备3D钙钛矿薄膜：将预热的ITO薄膜/玻璃基板置于匀胶机，在ITO薄膜/玻璃基板静止时滴涂钙钛矿MAPbI3前驱液，旋转时转速分两个阶段，先1000转/分钟的速度旋涂10秒，再4000转/分钟的速度旋涂35秒。在第二个旋涂步骤的30秒时间点，将氯苯（150µL）滴涂在动态旋涂的ITO薄膜/玻璃基板上；
步骤8、旋涂停止后的样品在100℃下退火10分钟，形成3D钙钛矿MAPbI3薄膜，该3D钙钛矿MAPbI3薄膜厚度约为300nm；
步骤9、在退火完成后的MAPbI3薄膜的表面静态再次滴涂PMAI前驱液，在4000转/分钟的转速下旋涂30秒，旋涂停止后在100℃下退火10分钟，在MAPbI3薄膜表面形成2D钙钛矿薄膜，2D钙钛矿薄膜与3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，其中，2D钙钛矿薄膜厚度大约为10 nm；
步骤10、将带有镂空的掩模板覆盖在2D钙钛矿薄膜表面，露出有效面积，使用真空镀膜机在2D钙钛矿薄膜表面采用热沉积的方法蒸镀100nm金电极，金电极作为忆阻器的第二电极，得到忆阻器。
下面对本申请中制作的忆阻器进行测试验证分析。
钙钛矿薄膜的结晶方式直接影响着忆阻器的阻变特性，钙钛矿薄膜的均匀性覆盖是一个至关重要的参数，直接影响忆阻器的重复性。对制作过程中形成的3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜的形貌进行观察，3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜在扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）下的形貌图如图8所示，图8（a）为3D钙钛矿薄膜的形貌图，图8（b）为钙钛矿异质结薄膜的形貌图。由图8（a）可知，本申请在制作过程中形成了很致密的MAPbI3薄膜，也即形成了很致密的3D钙钛矿薄膜，该3D钙钛矿薄膜完全覆盖在ITO薄膜/基板上；由图8（b）可知，经过PMAI对3D钙钛矿薄膜修饰后会发现形貌变得更加模糊，进一步仔细观察会发现在3D钙钛矿薄膜顶部形成了类似于“片状”的团聚钙钛矿晶粒，而PMAI为长链有机铵盐，可以和3D钙钛矿MAPbI3薄膜表面过量的PbI2形成2D钙钛矿，因此，可以认为在3D钙钛矿薄膜顶部形成了部分钙钛矿异质结薄膜，从而可能构成了2D-3D钙钛矿异质结薄膜。
利用X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）验证钙钛矿薄膜的结晶，利用X射线被钙钛矿薄膜中大量原子散射并相互干涉的原理来获得钙钛矿薄膜的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息。3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜的XRD图如图9所示，其中，横坐标为角度，纵坐标为相对强度。由图9可知，3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜在14.2°(110晶面)、28.4°(220晶面)均有非常尖锐的特征峰，表明3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜都形成了典型的钙钛矿MAPbI3晶粒，3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜中具有高结晶度的四方相。另外，3D钙钛矿薄膜的XRD曲线中，在12.7°中存在一些非常小的PbI2特征峰，证明3D钙钛矿薄膜中存在过量的PbI2，同时，在钙钛矿异质结薄膜中可以观察到PbI2的峰基本消失，但在小角度3.8°处存在微弱的特征峰，该峰位的形成被认为是2D钙钛矿的特征峰，因为2D钙钛矿层间距更大，形成的XRD特征衍射峰位于小角度处。因此可以证明本申请二次处理的方法确实可以形成2D-3D钙钛矿异质结膜层。
钙钛矿薄膜在空气中的稳定性也直接影响着钙钛矿忆阻器的重复使用寿命，下面对3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜的疏水特性进行测试，通过测试钙钛矿薄膜表面的接触角角度，对比水滴角度来分析判定钙钛矿薄膜表面的附着力。将纯净水滴在3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜，并在同一时间观察其水滴角，3D钙钛矿薄膜和钙钛矿异质结薄膜的接触角测试对比图如图10所示，其中，图10（a）为3D钙钛矿薄膜的接触角测试图，图10（b）为钙钛矿异质结薄膜的接触角测试图。由图10可知，3D钙钛矿薄膜的疏水角度为54°，钙钛矿异质结薄膜的疏水角度为102°，3D钙钛矿薄膜的疏水角度明显小于钙钛矿异质结薄膜的疏水角度，表明3D钙钛矿薄膜暴露在空气中不稳定，极其容易受潮分解；钙钛矿异质结薄膜疏水角更大，表明钙钛矿异质结薄膜在空气中更加稳定，可以更长时间保存。
下面对忆阻器的电学特性进行测试，电学特性测试是在空气室温条件下进行，使用Keithley进行测量，将ITO薄膜电极接地，对金电极施加连续变化的偏压，然后同时监测钙钛矿忆阻器随电压变化而导致的电流变化特性曲线。本申请中包括钙钛矿异质结薄膜的忆阻器Au/HOIPs/ITO的典型电流-电压（I–V）特性如图11所示，在忆阻器电极上先施加扫描电压，电压范围从0V→2V→0V→-2V→0V，步长为0.01V/S，当外部电压从0V扫到2 V时，观察到忆阻器电阻从高电阻状态（High Resistance State，HRS）过渡到低电阻状态(LowResistance State，LRS)，LRS的电阻≈1.5 V，这意味着发生了设置(set)过程。在此set过程转变之后，LRS保持不变，直到施加负偏置电压。电阻状态恢复到HRS时的状态≈−1.2 V，对应于重置过程。设置和重置过程在相反的偏置极性下发生，表明该忆阻器具有双极RS（resistance switching，电阻转换）特性。
本申请还提供一种忆阻器，所述忆阻器采用上述任一实施例所述的忆阻器制作方法制得。
忆阻器的结构示意图如图12所示，包括第一电极1、钙钛矿异质结薄膜2、第二电极3，钙钛矿异质结薄膜包括3D钙钛矿薄膜和2D钙钛矿薄膜。
本申请中忆阻器，通过在3D钙钛矿薄膜的表面形成2D钙钛矿薄膜，并且2D钙钛矿薄膜与3D钙钛矿薄膜两者之间形成钙钛矿异质结薄膜，2D钙钛矿薄膜起到界面钝化层的作用，可以有效的改善钙钛矿异质结薄膜的疏水性，从而延长忆阻器的使用寿命；同时，2D钙钛矿薄膜还可以改善3D钙钛矿薄膜的表面形貌，提升覆盖均匀度，使制得忆阻器具有优异的开关性能。
本申请还提供一种电器件，所述电器件包括上述实施例所述的忆阻器。
电器件的种类本申请不做具体限定，例如，可以为存储类器件、运算类器件等等。下面对忆阻器的性能在不同领域的应用进行介绍。
忆阻器是一种具有记忆功能的非线性电阻。 通过控制电流的变化可改变其阻值，并且即使在断电之后电流突然停止，电阻值仍然会继续保持下去，直到反向电流通过才会改变其阻值，因此基于电阻就可以实现存储数据的功能。
另外，忆阻器也具有布尔逻辑运算功能，基于其存算一体技术可以实现神经网络计算，基于忆阻器的交叉阵列如图7所示，横纵两个方向的两层金属纳米线构成网状结构，忆阻器位于金属纳米线的交叉点，忆阻器的功能类似突触，连接两个神经元。假设初始时刻所有的开关都是打开的，此时状态不包含任何信息，一个晶圆上有上千亿个忆阻器。每一个十字交叉点代表一位存储数据，我们想要单独控制任何一个开关就需要在两端施加电压，通过脉冲来打开或者关闭十字交叉点，分别表示0或1，这是一个非常小并且非常快的技术，并且开关很小就是个2~3 nm的器件，通过改变其中的一些开关就可以表示惊人的信息量。在工作的过程中，忆阻器的横纵交叉阵列通过欧姆定律和基尔霍夫定律分别完成加法和乘法运算。通过简单的输入电压读电流的操作就可以完成并行运算。从而模拟内存计算，并实现速度和能效的大幅提升。基于忆阻器的神经形态计算有望打破冯诺伊曼计算范式，完成存算一体的并行数据操作。从而消除数据搬运造成的资源消耗。因此忆阻器带来的变革，将很可能在世界电子科技基础领域引发一场重大影响的电子竞赛。
忆阻器除了存算一体外还有更多的应用领域，例如神经突触器件，很多的研究发现忆阻效应可以类比大脑里面的神经突触，并且其与脑电波的刺激是有关系的。通过建模做类脑计算，这也是目前热门的研究领域。这就要求忆阻器器件的使用过程中，在室温情况下电压要低一点，稳定性比较好，保持时间要足够长，重复次数要足够多，完成高密度集成和高密度读写。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
以上对本申请所提供的忆阻器及其制作方法、电器件进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (20)
1.一种忆阻器制作方法，其特征在于，包括：
获得忆阻器预制结构体，所述忆阻器预制结构体包括3D钙钛矿薄膜；
在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜，所述2D钙钛矿薄膜与所述3D钙钛矿薄膜形成钙钛矿异质结薄膜，得到忆阻器。
2.如权利要求1所述的忆阻器制作方法，其特征在于，获得忆阻器预制结构体之前，还包括：
在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液；
旋转所述第一电极，以使钙钛矿前驱液在所述第一电极的上表面匀开，并在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液，并进行退火形成所述3D钙钛矿薄膜，得到所述忆阻器预制结构体。
3.如权利要求2所述的忆阻器制作方法，其特征在于，旋转所述第一电极包括：
按照转速递增的方式旋转所述第一电极。
4.如权利要求2所述的忆阻器制作方法，其特征在于，旋转所述第一电极包括：
匀速旋转所述第一电极。
5.如权利要求3所述的忆阻器制作方法，其特征在于，按照转速递增方式旋转所述第一电极包括：
在第一转速下旋转所述第一电极，旋转时间为第一时间；
在第二转速下旋转所述第一电极，旋转时间为第二时间，所述第一转速小于所述第二转速，所述第一时间小于所述第二时间。
6.如权利要求5所述的忆阻器制作方法，其特征在于，在旋涂所述钙钛矿前驱液过程中向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液包括：
当所述第一电极在所述第二转速下旋转时，向所述第一电极的上表面滴加反溶剂溶液。
7.如权利要求2所述的忆阻器制作方法，其特征在于，在第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液之前，还包括：
在基板上制作所述第一电极；
预热所述第一电极至预设温度。
8.如权利要求7所述的忆阻器制作方法，其特征在于，预热所述第一电极至预设温度之前，还包括：
清洁所述第一电极和所述基板，去除所述第一电极和所述基板表面的脏污。
9.如权利要求8所述的忆阻器制作方法，其特征在于，清洁所述第一电极和所述基板包括：
依次使用洗涤剂、去离子水、乙醇和丙酮溶液清洗所述基板和所述第一电极；
去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液。
10.如权利要求9所述的忆阻器制作方法，其特征在于，去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液包括：
吹干所述基板和所述第一电极。
11.如权利要求9所述的忆阻器制作方法，其特征在于，去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液包括：
烘干所述基板和所述第一电极。
12.如权利要求9所述的忆阻器制作方法，其特征在于，去除所述基板和所述第一电极上残留的溶液之后，还包括：
对所述第一电极和所述基板再次进行清洁。
13.如权利要求7所述的忆阻器制作方法，其特征在于，在基板上制作所述第一电极包括：
利用磁控溅射法、化学气相沉积法、蒸镀法中的任一种方式，在基板上制作所述第一电极。
14.如权利要求2所述的忆阻器制作方法，其特征在于，在所述第一电极的上表面滴钙钛矿前驱液之前，还包括：
将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并搅拌均匀，得到钙钛矿前驱液，其中，PbI2和MAI的摩尔质量比1.1:1，DMF和DMSO的体积比为4:1。
15.如权利要求14所述的忆阻器制作方法，其特征在于，将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并搅拌均匀包括：
将PbI2和MAI溶解于DMF和DMSO混合溶液中，并在加热条件下搅拌均匀。
16.如权利要求1所述的忆阻器制作方法，其特征在于，在所述3D钙钛矿薄膜的表面制作2D钙钛矿薄膜包括：
在所述3D钙钛矿薄膜的表面滴有机铵盐前驱液；
旋转所述忆阻器预制结构体，以使所述有机铵盐前驱液在所述3D钙钛矿薄膜的表面匀开，并进行退火，形成2D钙钛矿薄膜。
17.如权利要求16所述的忆阻器制作方法，其特征在于，在所述3D钙钛矿薄膜的表面滴有机铵盐前驱液之前，还包括：
将PMAI溶解于IPA中并搅拌均匀，得到有机铵盐前驱液。
18.如权利要求1所述的忆阻器制作方法，其特征在于，在所述2D钙钛矿薄膜上制作第二电极时包括：
利用物理气相沉积法或蒸镀法，在所述2D钙钛矿薄膜的表面制作第二电极。
19.一种忆阻器，其特征在于，所述忆阻器采用如权利要求1至18任一项所述的忆阻器制作方法制得。
20.一种电器件，其特征在于，所述电器件包括如权利要求19所述的忆阻器。
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2022
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