CN112271253A - 一种基于二维v2c材料的忆阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于二维V2C材料的忆阻器及其制备方法，忆阻器由下至上分为若干层，依次为衬底、底电极、阻变层和顶电极，阻变层位于底电极和顶电极之间，阻变层包括介质层和二维V2C材料膜，二维V2C材料膜旋涂于介质层的上表面，介质层的底部与底电极的顶部相接触；二维V2C材料膜的顶部与顶电极的底部相接触；忆阻器采用二维V2C材料，在不同的限制电流下表现出易失和非易失特性共存的现象，具有良好的稳定性、高重复性及较低的工作电压等优点。
Description
技术领域
本发明属于电子元器件技术领域，具体涉及一种基于二维V2C材料的忆阻器及其制备方法。
背景技术
忆阻器是蔡少棠教授从逻辑和公理的观点所提出的第四种基本电子元器件。它表示磁通与电荷的关系，有望实现非易失性随机存储器，也是硬件实现人工神经网络突触的最好方式。忆阻器具有结构简单、尺寸小、易于集成、开关速度快、功耗低等优势。
二维V2C材料是MXene材料的一员，通过刻蚀V2AlC而制得，具有导电性好、电荷响应速度快、比表面积大，以及亲水性好等特点。基于此，其已经被应用于制备电池、超级电容器以及白色激光器，并取得令人瞩目的成绩。另外，具相关报道，已有一些二维材料被引入到忆阻器中以提高器件性能并取得了成效，但二维V2C材料在阻变器件中的应用尚是空白。
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***的潜在候选者。虽然基于氧化物的忆阻器有着很高的集成度和应用前景，但是氧化物忆阻器器件存在稳定性和开关重复性差的问题，给将其设计成存储单元并搭建成***带来了非常大的挑战，是业内公认的最急待解决的技术瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于二维V2C材料的忆阻器及其制备方法，在不同的限制电流下表现出易失和非易失特性共存的现象，具有良好的稳定性和高重复性及较低的工作电压。
本发明提供一种基于二维V2C材料的忆阻器, 由下至上分为若干层，依次为衬底、底电极、阻变层和顶电极，阻变层设置于底电极和顶电极之间，阻变层包括介质层和二维V2C材料膜，二维V2C材料膜铺设于介质层的上表面，介质层的底部设置在底电极的顶部上，二维V2C材料膜的顶部上安装顶电极；。
作为本发明的进一步技术方案，衬底为硅衬底，底电极为钨层，厚度为80nm，介质层为二氧化钛层，厚度为60nm，顶电极为银层，厚度为80nm。
进一步的，二维V2C材料膜通过甩胶机旋涂于介质层的上表面。
进一步的，顶电极通过掩模版制备而成。
进一步的，底电极通过磁控溅射法溅射形成于衬底上，介质层通过磁控溅射法溅射形成于底电极上，顶电极通过磁控溅射法溅射形成于二维V2C材料膜上。
本发明还提供一种基于二维V2C材料的忆阻器的制备方法，包括如下步骤，
步骤S1、清洗衬底，将清洗好的衬底放入溅射室内的样品台上，把溅射室内抽至真空状态，选取装有底电极材料的靶枪作为溅射源，通过磁控溅射仪溅射沉积得到底电极；
步骤S2、维持溅射室的真空环境，用装有介质层材料的靶枪作为溅射源，在底电极的上表面均匀溅射出介质层；
步骤S3、称取二维V2C材料粉末放入离心管内，并加入二甲基亚砜溶液混合后进行超声振荡，获取二维V2C材料与二甲基亚砜的混合溶液；
步骤S4、将混合溶液，滴在介质层上，通过甩胶机进行旋涂，获取二维V2C材料膜；
步骤S5、对二维V2C材料膜进行烘干后，将掩模板固定在二维V2C材料膜上，选取装有顶电极材料的靶枪作为溅射源，并溅射沉积得到顶电极，完成基于二维V2C材料的忆阻器的制备。
进一步的，步骤S1中清洗衬底的具体步骤如下，
步骤S11、纯水超声：将衬底放入烧杯中，在烧杯中加入纯水，放入超声波清洗机中进行清洗，20min后取出；
步骤S12、丙酮超声：将纯水超声后烧杯中的液体倒入废液桶，加入丙酮溶液，放入超声波清洗机中进行清洗，20min后取出；
步骤S13、乙醇超声：将丙酮超声后烧杯中的液体倒入废液桶，加入乙醇溶液，放入超声波清洗机中进行清洗，20min后取出；
步骤S14、烘干：将清洗后的衬底取出放入洁净的培养皿，置于烘干箱中，在80 ℃下烘干15min后取出。
进一步的，步骤S2中选用装有介质层材料的靶枪作为溅射源时，设定磁控溅射仪的功率为100W，加热至100 ℃，溅射时长设为26min52s。
进一步的，步骤S3中，二维V2C材料与二甲基亚砜的混合溶液的浓度为10mg/ml，超声振荡的时间为1h。
进一步的，步骤S4中，甩胶机的旋涂设置为：在1000r/min的转速下旋涂1min。
本发明的忆阻器采用二维V2C材料，可以在不同的限制电流下表现出易失和非易失特性共存的现象，具有稳定性好、重复性高和工作电压低等优点，更好的满足了器件应用于电路时对其性能的要求；同时本发明所提供的忆阻器的制备方法简便，且成本较低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的忆阻器中二维V2C材料的物理表征XRD图；
图3为本发明的忆阻器在100μA限流下的易失特性I-V曲线图；
图4为本发明的忆阻器在400μA限流下的非易失特性I-V曲线图；
图5为本发明的忆阻器在400μA限流下200次循环(0.1V)的高低阻态图；
图6为本发明的忆阻器在200次循环中的工作电压累积分布图。
具体实施方式
请参阅图1，本实施例提供一种基于二维V2C材料的忆阻器, 忆阻器由下至上分为若干层，依次为衬底、底电极、阻变层和顶电极，阻变层设置于底电极和顶电极之间，阻变层包括介质层和二维V2C材料膜，二维V2C材料膜铺设于介质层的上表面，介质层的底部设置在底电极的顶部上，二维V2C材料膜的顶部上安装顶电极。
衬底为硅衬底，底电极为钨层，厚度为80nm，底电极通过磁控溅射法溅射形成于衬底上，介质层为二氧化钛层，厚度为60nm，介质层通过磁控溅射法溅射形成于底电极上，顶电极为银层，厚度为80nm，顶电极通过磁控溅射法溅射形成于二维V2C材料膜上，顶电极通过掩模版制备而成。二维V2C材料膜通过甩胶机旋涂于介质层的上表面。
其中，顶电极与底电极用于与外部电源连接，阻变层用于实现阻态的转换。当器件在外加电压刺激下，介质层中逐渐形成导电细丝，二维V2C材料的引入，可引导导电细丝在电极之间可控的生长，从而减少导电细丝形成的随机性，改善当前氧化物忆阻器中存在的器件的稳定性和开关重复性差的问题。
该忆阻器的制备方法，包括如下步骤，
步骤S1、清洗衬底，将清洗好的衬底放入溅射室内的样品台上，把溅射室内抽至真空状态，选取装有底电极材料的靶枪作为溅射源，通过磁控溅射仪溅射沉积得到底电极；
步骤S2、维持溅射室的真空环境，用装有介质层材料的靶枪作为溅射源，在底电极的上表面均匀溅射出介质层；
步骤S3、称取二维V2C材料粉末放入离心管内，并加入二甲基亚砜溶液混合后进行超声振荡，获取二维V2C材料与二甲基亚砜的混合溶液；
步骤S4、混合溶液，滴在介质层上，通过甩胶机进行旋涂，获取二维V2C材料膜；
步骤S5、对二维V2C材料膜进行烘干后，将掩模板固定在二维V2C材料膜上，选取装有顶电极材料的靶枪作为溅射源，并溅射沉积得到顶电极，完成基于二维V2C材料的忆阻器的制备。
各步骤详细说明如下。
在步骤S1中，选取金属钨靶材作为溅射源，将溅射腔内抽至真空状态；设定磁控溅射仪的功率为30W，加热至100 ℃，溅射时长为40min，沉积得到一层厚度约为80nm的钨层作为底电极。
其中，步骤S1中衬底清洗的具体步骤如下：
步骤S11、纯水超声：将衬底放入大小合适的烧杯中，在烧杯中加入适量的纯水，放入超声波清洗机中进行清洗，20min后取出；
步骤S12、丙酮超声：将纯水超声后烧杯中的液体倒入废液桶，加入适量的丙酮，放入超声波清洗机中进行清洗，20min后取出；
步骤S13、乙醇超声：将丙酮超声后烧杯中的液体倒入废液桶，加入适量的乙醇，放入超声波清洗机中进行清洗，20min后取出；
步骤S14、烘干：将清洗后的衬底取出放入洁净的培养皿，置于烘干箱中，在80 ℃下烘干15min后取出。
在步骤S2中，维持步骤S1的真空环境，选取二氧化钛靶材作为溅射源，设定磁控溅射仪的功率为100W，加热至100 ℃，溅射时长为26min52s，在底电极的上表面均匀溅射出一层厚度约为60nm的二氧化钛作为介质层。
在步骤S3中，称取10mg二维V2C材料粉末放入离心管内，将1ml的二甲基亚砜与其混合并进行超声振荡1h，获得均匀的混合液，所制得的二维V2C材料与二甲基亚砜的混合溶液浓度为10mg/ml。
在步骤S4中，甩胶机的旋涂设置为：在1000r/min的转速下旋涂1min。
在步骤S5中，选取金属银靶材作为溅射源，设定磁控溅射仪的功率为100W，不进行加热，溅射时长为3min29s，溅射沉积得到厚度约为80nm的银层作为顶电极。
如图2所示，为所用二维V2C材料的物理表征的XRD图，在7.88°处可以清晰地观察到该材料的一个强衍射峰，为(002)峰。该特征衍射峰可以对应到二维V2C材料的结构上，这与报道过的V2C表征分析的结果相一致，证明所制备的样品就是所需的二维V2C材料。
当对忆阻器进行直流扫描电压下电学特性测试时，在顶电极上施加正电压，电压从0V扫到设定的正电压值再从设定的电压值扫回到0V，在这个过程中，忆阻器的阻变层内会形成导电细丝，其连接顶电极和底电极，从而发生电阻转变效应，器件由高阻态转变为低阻态，称为Set过程；在顶电极上施加负电压，电压从0V扫到设定的负电压值再从设定的电压值回扫到0V，此过程中由于导电细丝的部分断裂使器件从低阻态转变回高阻态，称为Reset过程。
以下将对本发明忆阻器的电学特性进行详细说明。
如图3所示，在相对较小的100μA限流下，器件在初始时为高阻态，随着电压的增大，电流随之缓慢增加，直到达到限流，此过程中阻变层内逐渐形成导电细丝，使器件缓慢的转变为低阻态。在电压回扫的过程中，器件的阻态在电压至0V前就会回到原始高阻态，电流迅速减小，表明该限流下器件低阻态并不能保持，具有明显的易失性。这是因为小限流下形成的导电细丝非常脆弱，由于电流产生的焦耳热，导致导电细丝不稳定且易断裂。即不需要加反向电压进行Reset操作，器件就会回到关闭状态。
如图4所示，在相对较大的400μA限流下，随着正向电压的增大，器件也是先从高阻态转变为低阻态。与小限流下不同的是，在电压回扫的过程中，器件可以保持住低阻态，即具有明显的非易失性，需要加反向电压进行Reset操作。在反向电压下，导电细丝很快局部发生断裂，使器件回到高阻态，为下一次的开关做准备。呈现出典型的正开负关的双极型开关特性。
如图5所示，图中为忆阻器在400μA限流下，在0.1V处提取其200次循环的高、低阻态。其中高阻态几近为水平直线，表明在每次关断后，器件回到的高阻态几乎一致。相对而言，低阻态具有轻微的波动，这与每次开启时形成的导电细丝的数量和强壮程度有关，但其并不影响器件在电路中的应用，两个阻态依旧区分鲜明。高低阻态的比值大于57，表明该忆阻器高低阻态差别较大，在应用于类脑计算电路时可以避免读取阻态错误。
如图6所示，图中曲线显示该忆阻器的工作电压值较低，且分布区域较窄，利于在低功耗电路中应用。其中Set电压小于0.66V，偏差仅为40mV，Reset电压介于-0.19V和-0.02V之间。虽然Reset电压波动略大一点，但是仍低于类似结构的二氧化钛基器件。Set电压和Reset电压都在很小的范围内波动，表明器件电学性能具有良好的稳定性和可重复性。其原因是由于介质层中形成的导电细丝，由于二维V2C材料的引入，可引导导电细丝在电极之间可控的生长，从而减少导电细丝形成的随机性，改善当前氧化物忆阻器中存在的伏安特性不稳定和器件的开关重复性差的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于二维V2C材料的忆阻器，其特征在于，由下至上分为若干层，依次为衬底、底电极、阻变层和顶电极，所述阻变层设置于所述底电极和所述顶电极之间，所述阻变层包括介质层和二维V2C材料膜，所述二维V2C材料膜铺设于所述介质层的上表面，所述介质层的底部设置在所述底电极的顶部上，所述二维V2C材料膜的顶部上安装所述顶电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维V2C材料的忆阻器，其特征在于，所述衬底为硅衬底，所述底电极为钨层，厚度为80nm，所述介质层为二氧化钛层，厚度为60nm，所述顶电极为银层，厚度为80nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维V2C材料的忆阻器，其特征在于，所述二维V2C材料膜通过甩胶机旋涂于所述介质层的上表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维V2C材料的忆阻器，其特征在于，所述顶电极通过掩模版制备而成。
5.根据权利要求1所述的一种基于二维V2C材料的忆阻器，其特征在于，所述底电极通过磁控溅射法溅射形成于所述衬底上，所述介质层通过磁控溅射法溅射形成于所述底电极上，所述顶电极通过磁控溅射法溅射形成于所述二维V2C材料膜上。
6.一种基于二维V2C材料的忆阻器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤S1、清洗衬底，将清洗好的衬底放入溅射室内的样品台上，把溅射室内抽至真空状态，选取装有底电极材料的靶枪作为溅射源，通过磁控溅射仪溅射沉积得到底电极；
步骤S2、维持溅射室的真空环境，用装有介质层材料的靶枪作为溅射源，在底电极的上表面均匀溅射出介质层；
步骤S3、称取二维V2C材料粉末放入离心管内，并加入二甲基亚砜溶液混合后进行超声振荡，获取二维V2C材料与二甲基亚砜的混合溶液；
步骤S4、混合溶液，滴在介质层上，通过甩胶机进行旋涂，获取二维V2C材料膜；
步骤S5、对二维V2C材料膜进行烘干后，将掩模板固定在二维V2C材料膜上，选取装有顶电极材料的靶枪作为溅射源，并溅射沉积得到顶电极，完成基于二维V2C材料的忆阻器的制备。
7.根据权利要求6所述的一种基于二维V2C材料的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中清洗衬底的具体步骤如下，
步骤S11、纯水超声：将衬底放入烧杯中，在烧杯中加入纯水，放入超声波清洗机中进行清洗，20min后取出；
步骤S12、丙酮超声：将纯水超声后烧杯中的液体倒入废液桶，加入丙酮溶液，放入超声波清洗机中进行清洗，20min后取出；
步骤S13、乙醇超声：将丙酮超声后烧杯中的液体倒入废液桶，加入乙醇溶液，放入超声波清洗机中进行清洗，20min后取出；
步骤S14、烘干：将清洗后的衬底取出放入洁净的培养皿，置于烘干箱中，在80 ℃下烘干15min后取出。
8.根据权利要求6所述的一种基于二维V2C材料的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中选用装有介质层材料的靶枪作为溅射源时，设定磁控溅射仪的功率为100W，加热至100 ℃，溅射时长设为26min52s。
9.根据权利要求6所述的一种基于二维V2C材料的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述二维V2C材料与二甲基亚砜的混合溶液的浓度为10mg/ml，所述超声振荡的时间为1h。
10.根据权利要求6所述的一种基于二维V2C材料的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述甩胶机的旋涂设置为：在1000r/min的转速下旋涂1min。
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| CN113206193A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-08-03 | 华中科技大学 | 一种基于相变原理的忆阻器及其制备方法 |
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2020
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Cited By (4)
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