CN214625089U - 一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器，包括衬底层、底电极层、第一阻变层、氧化层、第二阻变层和顶电极层。通过基于过渡金属硫族化合物的3层堆垛结构，一方面可以发挥该族二维材料的优势，优良的机械性和高透性使器件具有柔性光控忆阻器的潜能，通过氧化手段，引入氧化层，增加氧空位含量，可降低器件的转变电压，实现器件低功耗的提高忆阻器的性能，通过第一阻变层和第二阻变层的加入，可以防止底电极层和顶电极层过度氧化影响阻变性能，使忆阻器的性能得到提升。解决目前忆阻器稳定性、耐受性降低的问题。

Description

一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器

技术领域

本实用新型涉及忆阻器技术领域，尤其涉及一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器。

背景技术

阻变存储器，又称忆阻器(Resistive Random Accessible Memory,RRAM)，是新一代非易失性存储器。其主要机理是材料的电阻随着电压(电场)的改变发生变化。其结构简单，主要的研究结构为MIM三明治结构，上下的M一般为活性金属，惰性金属以及导电半导体之一，中间层I为阻变层，通常由具有半导体特性或者绝缘性材料构成。目前主要的研究对象为传统的金属氧化物材料以及其他绝缘性材料，研究时间长，工艺相对成熟，但是由于这些材料自身的局限性，难以应对未来对小尺寸(纳米级)，高机械性能的忆阻器的需求。

过渡金属硫族化合物(Two-dimensional transition metal sulfides,TMDs)是一类重要的二维半导体材料，其化学式为MX2，M是指过渡金属元素，例如：钼、钨等，X是指硫族元素，例如：硫、硒等。它们是一种层状结构的二维材料，层与层之间由弱的范德华力所连接，和石墨烯一样，可以通过一些剥离手段使其从块状材料变成单层或者多层的纳米片状材料。通过调整层的数量可以控制材料的带隙宽度，当它为多层纳米片时能带为间接带隙，而单层时，则为直接带隙，具有带隙可调性，这使得过渡金属硫族化合物在光学器件领域有很大的应用潜力，而它自身的高迁移率的电学性能，使得其成为研究光控忆阻器的热门材料。

过渡金属硫化物为一种片层二维材料，其单层纳米片形态有利于实现忆阻器的微小型化。且其片状结构具有一定的张力，搭配柔性衬底可以实现器件的柔性化，对于研究可穿戴型柔性忆阻器提供了可能。

在目前的对于忆阻器阻变性能的实现中，通过对上电极施加电压，使阻变层内的氧离子移动，从而形成一条基于氧空位构成的导电通道，又称为导电细丝。但是在施加反向复位电压时，导电细丝断开，容易造成氧的堆积，从而使得器件的稳定性、耐受性降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器，旨在解决目前忆阻器稳定性、耐受性降低的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器，包括衬底层、底电极层、第一阻变层、氧化层、第二阻变层和顶电极层，所述底电极层与所述衬底层固定连接，且位于所述衬底层一侧，所述第一阻变层与所述底电极层固定连接，且位于所述底电极层远离所述衬底层一侧，所述氧化层与所述第一阻变层固定连接，且位于所述第一阻变层远离所述底电极层一侧，所述第二阻变层与所述氧化层固定连接，且位于所述氧化层远离所述第一阻变层一侧，所述顶电极层与所述第二阻变层固定连接，且位于所述第二阻变层远离所述氧化层一侧。

其中，所述底电极层和所述顶电极层材料为金属、导电氧化物和导电氮化物的任意一种，厚度为10-800nm。

其中，所述第一阻变层厚度为10-200nm。

其中，所述氧化层采用在氧气氛围下热退火方式形成对应的过渡金属氧化层，厚度为1-10nm。

其中，所述第二阻变层厚度为1-10nm。

本实用新型的一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器，通过所述衬底层提供支撑及安装条件，所述第一阻变层和第二阻变层为同一种层状过渡金属硫族化合物，所述氧化层为对应的过渡金属的所述氧化层。本实用新型基于溶液法制备薄膜，将块状的材料通过液相剥离等技术剥离成少层甚至单层，工艺简单且有利于大面积制备。通过基于过渡金属硫族化合物的3层堆垛结构，一方面可以发挥该族二维片状材料的优势，优良的机械性和高透性使器件具有柔性光控忆阻器的潜能，通过氧化手段，引入所述氧化层，增加氧空位含量，可降低器件的转变电压，实现器件低功耗的提高忆阻器的性能，通过所述第一阻变层和所述第二阻变层的加入，可以防止所述底电极层和所述顶电极层过度氧化影响阻变性能，使忆阻器的性能得到提升。解决目前忆阻器稳定性、耐受性降低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器的结构示意图。

图2是本实用新型一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器的正视图。

图中：1-衬底层、2-底电极层、3-第一阻变层、4-氧化层、5-第二阻变层、6顶电极层。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1-图2，本实用新型提供一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器：包括衬底层1、底电极层2、第一阻变层3、氧化层4、第二阻变层5和顶电极层6，所述底电极层2与所述衬底层1固定连接，且位于所述衬底层1一侧，所述第一阻变层3与所述底电极层2固定连接，且位于所述底电极层2远离所述衬底层1一侧，所述氧化层4与所述第一阻变层3固定连接，且位于所述第一阻变层3远离所述底电极层2一侧，所述第二阻变层5与所述氧化层4固定连接，且位于所述氧化层4远离所述第一阻变层3一侧，所述顶电极层6与所述第二阻变层5固定连接，且位于所述第二阻变层5远离所述氧化层4一侧。

在本实施方式中，通过所述衬底层1提供支撑及安装条件，所述第一阻变层3和第二阻变层5为同一种层状过渡金属硫族化合物，所述氧化层4为对应的过渡金属硫族的所述氧化层4。本实用新型基于溶液法制备薄膜，将块状的材料通过液相剥离等技术剥离成少层甚至单层，工艺简单且有利于大面积制备。通过基于过渡金属硫族化合物的3层堆垛结构，一方面可以发挥该族二维片状材料的优势，优良的机械性和高透性使器件具有柔性光控忆阻器的潜能，通过氧化手段，引入所述氧化层4，增加氧空位含量，可降低器件的转变电压，实现器件低功耗的提高忆阻器的性能，通过所述第一阻变层3和所述第二阻变层5的加入，可以防止所述底电极层2和所述顶电极层6过度氧化影响阻变性能，使忆阻器的性能得到提升。解决目前忆阻器稳定性、耐受性降低的问题。

进一步的，所述底电极层2和所述顶电极层6材料为金属、导电氧化物和导电氮化物的任意一种，厚度为10-800nm。

在本实施方式中，所述底电极层2的厚度为(～185nm)ITO，采用玻璃衬底，二硫化钼悬浊液浓度为1mg/ml，所述顶电极层6的厚度为150nm,单个单元的面积为直径约100μm的圆。

进一步的，所述第一阻变层3厚度为10-200nm。

在本实施方式中，将ITO/玻璃基底用丙酮、酒精、去离子水各超声5-10分钟，氮气吹干。然后使用旋涂机，转速为1000-3500rpm,时间为15-40s，旋涂3-4次以保证二硫化钼的覆盖，之后真空干燥1-6h，得到厚度约为120nm所述第一阻变层3。

进一步的，所述氧化层4采用在氧气氛围下热退火方式形成对应的硫族氧化层，厚度为1-10nm。

在本实施方式中，所述第一阻变层3之后进行表面氧化，根据2MoS2+7O2→2MoO3+4SO2，将片子放在热板上，100-150℃下，空气中氧化1-2h，获得一层氧化物MoOx作为器件的所述氧化层4，其厚度约为3-5nm。氧离子层主要用于存储大量可移动氧离子，在电压的作用下实现氧离子的移动，从而降低器件的开启电压。而直接氧化，工艺流程简单，避免引入更多的杂质。

进一步的，所述第二阻变层5厚度为1-10nm。

在本实施方式中，沉积所述第二层阻变层，主要采用磁控溅射的方式，避免其它的杂质掺入，所述第二阻变层5的厚度约为5-10nm，所述第二层阻变层不宜太厚，一方面，此层可避免电极的氧化，提高器件的稳定性，另一方面，尽量减小器件的厚度便于集成应用，且有利于实现柔性器件。

本实用新型的工作原理及使用流程：本实用新型安装好过后，包括衬底层1、底电极层2、第一阻变层3、氧化层4、第二阻变层5和顶电极层6。通过所述衬底层1提供支撑及安装条件，所述第一阻变层3和第二阻变层5为同一种层状过渡金属硫族化合物，所述氧化层4为对应的过渡金属硫族的所述氧化层4。本实用新型基于溶液法制备薄膜，将块状的材料通过液相剥离等技术剥离成少层甚至单层，工艺简单且有利于大面积制备。通过基于过渡金属硫族化合物的3层堆垛结构，一方面可以发挥该族二维片状材料的优势，优良的机械性和高透性使器件具有柔性光控忆阻器的潜能，通过氧化手段，引入所述氧化层4，增加氧空位含量，可降低器件的转变电压，实现器件低功耗的提高忆阻器的性能，通过所述第一阻变层3和所述第二阻变层5的加入，可以防止所述底电极层2和所述顶电极层6过度氧化影响阻变性能，使忆阻器的性能得到提升。解决目前忆阻器稳定性、耐受性降低的问题。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器，其特征在于，

包括衬底层、底电极层、第一阻变层、氧化层、第二阻变层和顶电极层，所述底电极层与所述衬底层固定连接，且位于所述衬底层一侧，所述第一阻变层与所述底电极层固定连接，且位于所述底电极层远离所述衬底层一侧，所述氧化层与所述第一阻变层固定连接，且位于所述第一阻变层远离所述底电极层一侧，所述第二阻变层与所述氧化层固定连接，且位于所述氧化层远离所述第一阻变层一侧，所述顶电极层与所述第二阻变层固定连接，且位于所述第二阻变层远离所述氧化层一侧。

2.如权利要求1所述的一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器，其特征在于，

所述底电极层和所述顶电极层的材料为金属、导电氧化物和导电氮化物的任意一种，厚度为10-800nm。

3.如权利要求1所述的一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器，其特征在于，

所述第一阻变层厚度为10-200nm。

4.如权利要求1所述的一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器，其特征在于，

所述氧化层采用在氧气氛围下热退火方式形成对应的过渡金属氧化层，厚度为1-10nm。

5.如权利要求1所述的一种基于过渡金属硫族化合物堆垛式忆阻器，其特征在于，

所述第二阻变层厚度为1-10nm。

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