CN104795493A

CN104795493A - 一种基于纳米线阵列的忆阻器及其制备方法

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Publication number: CN104795493A
Application number: CN201510187013.9A
Authority: CN
Inventors: 徐海阳; 王中强; 赵晓宁; 马剑钢; 刘益春
Original assignee: Northeast Normal University
Current assignee: Northeast Normal University
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2015-07-22

Abstract

本发明属于微纳电子器件领域，具体涉及一种基于纳米线阵列的忆阻器及其制备方法。所述的纳米线阵列器件包括上电极、下电极及置于上下电极层之间的纳米线阵列层。纳米线阵列可以为金属氧化物半导体或绝缘体，且纳米线阵列层需经历Ar、Ar/H₂、NH₃等还原性气体离子溅射处理，进而导致在纳米线表面层中氧缺陷的形成以及微结构的无序化，这一含有结构缺陷的表层为纳米线阵列忆阻器的主要阻变区域。通过本发明能够获得一种具有纳米线阵列结构的忆阻器件，该器件具有连续多阻态转变、运行稳定、高存储密度、制备工艺简单、成本低等优点。

Description

一种基于纳米线阵列的忆阻器及其制备方法

技术领域

本发明属于微纳电子器件领域，涉及一种基于纳米线阵列的忆阻器及其制备方法。

背景技术

忆阻器被认为是除电阻、电容、电感之外的第四种无源电子元件，其新颖的电学特性在于阻值能够随流经器件的电荷而发生动态变化，并实现连续电阻态的存储。1971年，华裔科学家蔡少堂教授从理论上预言忆阻器这一基本电子元件的存在。2008年，惠普实验室首次在实验上构筑了忆阻器原型器件。忆阻器具有新颖的非线性电学性质，并兼具密度高、尺寸小、功耗低、非易失性等特点，被认为是发展下一代新型非易失性存储技术的理想方案之一，因而成为信息、材料等领域的研究热点。此外，忆阻器的阻变行为与生物体神经可塑性有着高度的相似性，因而在发展神经突触仿生器件及神经形态计算机等方面具有潜力。

惠普实验室提出的忆阻器件采用了由缺氧和富氧TiO₂薄膜构成的双层结构，利用电场诱导氧缺陷在两层间的迁移实现器件阻值调控。随后，不同结构、不同材料的忆阻器件相继研制成功。例如，CN102738387A专利中公开了一种基于单层TiO_x (0.5<x<3)薄膜结构的忆阻器及其制备方法，而CN103050622A专利中公开了一种基于AgInSbTe材料体系的忆阻器件。

在忆阻器件研究中，其潜在的高存储密度应用一直是研究的重要部分，尤其在神经突触仿生器件研究中。人类大脑中约有10¹⁴个神经突触，相较于传统人造突触的制备方法，利用高密度的纳米忆阻器构造相同数量的人造突触将会大大减低功耗和体积。常见的忆阻器件多采用薄膜层作为其功能转变层，因此光刻、电刻等微纳加工技术的使用是制备并集成高密度忆阻器件的关键。鉴于纳米线阵列的高密度特性，开发具有纳米线结构的忆阻器件，是实现高密度存储单元的简便而有效途径。同时，纳米结构的引入为忆阻器的结构设计提供新的方案，并为进一步研制以单根纳米线为存储单元的忆阻器件提供研究基础。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于纳米线阵列的忆阻器及其制备方法，其中通过对单晶纳米线阵列表层进行气体离子溅射，诱导纳米线表面层中氧缺陷的产生以及微结构的无序化，形成忆阻器阻态转变层。同时，器件能随施加电压实现连续阻值可调的忆阻行为。

本发明实现上述基于纳米线阵列忆阻器的技术方案如下：一种基于纳米线阵列结构的忆阻器，包括上电极、下电极及两电极之间的忆阻器阻态转变层。其特征在于，阻态转变层为金属氧化物纳米线阵列，金属氧化物可为TiO₂、ZnO等。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下优选。

所述下电极为FTO或ITO导电玻璃，其电阻为10Ω至400Ω。

所述上电极为金属电极或者导电氧化物电极等。

所述上电极材料可为Pt、Au、Ti、W、Al、Ta等金属电极中一种或者多种组合；所述导电氧化物电极包括ITO、IZO、FTO等；所述上电极厚度为20nm至500nm。

所述纳米线阵列为水热方法制备，且其直径为80nm至200nm，长度为800nm至3μm。

所述纳米线阵列需经历Ar、Ar/H₂、NH₃等还原性气体离子溅射处理，诱导纳米线上端表面层中产生氧缺陷以及微结构无序，形成阻态转变层。

本发明还提供了一种实现上述忆阻器件的制备方法：

步骤一：制备下电极；

步骤二：在FTO或ITO导电玻璃衬底上，利用水热方法制备金属氧化物单晶纳米线阵列；

步骤三：利用磁控溅射在Ar、Ar/H₂、NH₃等还原性气体中对金属氧化物单晶纳米线阵列进行反溅处理，诱导阵列上端表层产生氧缺陷以及微结构无序，形成阻态转变层；

步骤四：使用高分子材料封装气体离子处理后的金属氧化物纳米线阵列，并使用热蒸发、电子束蒸发或溅射等方法在阵列顶部沉积上电极。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于纳米线阵列忆阻器及其制备方法，能够扩充忆阻器件的构建方案。同时，该忆阻器件具有连续多阻态转变、运行稳定、性能可控、工艺简单、成本低、高密度等优点。

附图说明

图1为本发明方法中纳米线阵列忆阻器的结构示意图；

图2为本发明方法中实施例TiO₂纳米线阵列忆阻器制备方法流程图；

图3为图2所示制备方法各步骤对应的结构示意图；

图4为图3(b)中TiO₂纳米线阵列所对应的扫描电镜断面图；

图5为本发明实施例忆阻器在连续正偏压下基本电压-电流曲线；

图6为本发明实施例忆阻器在连续负偏压下基本电压-电流曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图和具体实例对本发明的操作过程作进一步详细说明。需说明，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，其中图示为示意性质，并不用于限定本发明的范围。

实施例

图1为本发明方法中纳米线阵列忆阻器的结构示意图。如图1所示，忆阻器包括：衬底100；下电极101；生长于下电极之上的纳米线阵列102，此实施例中选用TiO₂；经历气体离子溅射处理的阻态转变层103；用于封装纳米线阵列的高分子材料104；沉积于纳米线阵列顶端的上电极105。

所述衬底100一般为石英，玻璃或者硅等。

所述下电极101可选用FTO或ITO导电薄膜，其电阻为10Ω至400Ω。结合衬底选择，可以理解为可直接使用FTO或ITO导电玻璃，或沉积FTO或ITO导电薄膜于其它衬底同样适用。

所述上电极105可为Pt、Au、Cu、Ag、Ti、W、Al、Ta等金属电极中一种或者多种组合；所述导电化合物电极包括ITO、IZO、FTO等；所述上电极105厚度为20nm至500nm; 所述上电极105可采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发等方式制备。

所述纳米线阵列102可为水热方法制备，且其直径为80nm至200nm，长度为800nm至3μm。

进一步，所述纳米线阵列需经历Ar、Ar/H₂、NH₃等还原性气体离子溅射处理，诱导纳米线阵列上端表层产生氧缺陷以及微结构无序，形成阻态转变层103;

所述高分子材料104可选用PMMA等。

同时，本发明提供上述实施例制备方法：

图2所示为实施例忆阻器制备方法的流程图，以下将结合图3说明制备过程：

步骤B101，制备下电极。

如图3(a)所示，按照制备流程，首先要在衬底上100上制备下电极101。在本实施例中，选取电阻为50Ω的商用FTO导电玻璃，并将其大小切割为长×宽=2cm×1cm的小片。

步骤B102，生长TiO₂单晶纳米线阵列。

如图3(b)所示，在FTO导电玻璃(100及101)生长TiO₂单晶纳米线阵列102。具体实验步骤如下：

(1)将用乙醇清洗过的FTO导电玻璃衬底(100及101)，放入超声清洗仪清洗数分钟，再用去离子水冲洗，并用氮气吹干备用；

(2)将钛酸四丁酯（98%）、盐酸（36%-38%）、水等按照体积比为1：50：50配制50ml溶液；将溶液移入水热反应釜中，并将FTO导电玻璃(100及101)置入反应釜；将反应釜置于干燥箱进行水热反应，反应温度为150^oC，反应时间为3-6小时；室温自然冷却反应釜，取出FTO衬底(100及101)用去离子水冲洗清除残留液，即可获得TiO₂单晶纳米线阵列102。图4所示为本实施例中在FTO导电衬底(100及101)上制备完成的TiO₂单晶纳米线阵列102。

步骤B103，利用气体离子溅射处理TiO₂纳米线阵列，形成阻变形成层。

如图3(c)所示，通过气体离子溅射处理TiO₂纳米线阵列102，诱导其上端产生氧缺陷以及无序化结构，进而形成阻变层103；所述气体可选用Ar、Ar/H₂、NH₃等气体。本实施例中，在高纯Ar/H₂(97%/3%)气中，利用磁控溅射的反溅射功能对TiO₂单晶纳米线阵列102进行处理，其中射频功率为30W，处理时间为5分钟；对TiO₂单晶纳米线阵列102进行反溅处理，诱导阵列上端表层产生氧缺陷以及微结构无序，形成阻态转变层103。

步骤B104，封装器件并制备上电极。

如图3(d)所示，利用高分子材料PMMA对纳米线进行封装104。在本实施例中，将PMMA溶解于丙酮中配制质量分数为0.32%的溶液，将其旋涂在纳米线阵列102表面并形成均匀的封装层104；使用热蒸、电子束蒸发或溅射等方法在阵列顶部沉积上电极105。

图5和图6为本发明实施例在上电极105连续正偏压及连续负偏压扫描下的电压-电流特性曲线。如图5所示，器件电流随正偏压扫描次数增加而增加。如图6所示，器件电流随负偏压扫描次数增加而降低。图5和图6表明外部电压对忆阻器件的电阻有调制作用，且本实施例忆阻器件具有与已有忆阻器相类似的非线性电学特性。

上述实施实例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims

1.一种基于纳米线阵列结构的忆阻器，包括上电极、下电极及两电极之间的忆阻器阻态转变层，其特征在于，阻态转变层为金属氧化物纳米线阵列，金属氧化物为TiO₂、ZnO。

2.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述下电极为FTO或ITO导电玻璃，其电阻为10Ω至400Ω，其厚度为200nm至500nm，所述上电极为金属电极或者导电氧化物电极。

3.根据权利要求2所述的忆阻器，其特征在于，所述上电极材料为Pt、Au、Ti、W、Al、Ta金属电极中一种或者多种组合；所述导电氧化物电极包括ITO、IZO、FTO；所述上电极厚度为20nm至500nm。

4.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述纳米线阵列直径为80nm至200nm，长度为800nm至3μm。

5.一种基于纳米线阵列结构的忆阻器件制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

一、首先要在衬底上上制备下电极，选取电阻为50Ω的商用FTO导电玻璃，并将其大小切割为长×宽=2cm×1cm的小片；

二、在FTO或ITO导电玻璃衬底上，利用水热方法制备金属氧化物单晶纳米线阵列：

(1)将用乙醇清洗过的FTO导电玻璃衬底，放入超声清洗仪清洗数分钟，再用去离子水冲洗，并用氮气吹干备用；

(2)将98%钛酸四丁酯、36%-38%盐酸、水按照体积比为1：50：50配制50ml溶液；将溶液移入水热反应釜中，并将FTO导电玻璃置入反应釜；将反应釜置于干燥箱进行水热反应，反应温度为150^oC，反应时间为3-6小时；室温自然冷却反应釜，取出FTO衬底用去离子水冲洗清除残留液，即获得TiO₂单晶纳米线阵列；

三、通过气体离子溅射处理TiO₂纳米线阵，诱导其上端产生氧缺陷以及无序化结构，进而形成阻变层；所述气体选用Ar或Ar/H₂或NH₃气体，在高纯Ar/H₂97%/3%气中，利用磁控溅射的反溅射功能对TiO₂单晶纳米线阵列进行处理，其中射频功率为30W，处理时间为5分钟；对TiO₂单晶纳米线阵列进行反溅处理，诱导阵列上端表层产生氧缺陷以及微结构无序，形成阻态转变层；

四、利用高分子材料PMMA对纳米线进行封装阵列，将PMMA溶解于丙酮中配制质量分数为0.32%的溶液，将其旋涂在纳米线阵列表面并形成均匀的封装层；使用热蒸、电子束蒸发或溅射方法在阵列顶部沉积上电极。