CN113241406B - 一种二维材料阻变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维材料阻变存储器及其制备方法，相比于化学气相沉积制备的阻变存储器具有制备方便和对设备没有依赖性等优势，对于滴铸、旋涂等方法制备的阻变存储器又具有均匀性好，重复性好，制备简单等优势。利用本发明所述方法制备的二维材料阻变存储器所展示了6个数量级的开关比，相比于其他传统材料在几十纳米以下表现出的2到3个数量级具有明显优势，并且高于基于滴铸法和旋涂法制备的二维材料阻变存储器所展示的4到5个数量级，在制备简单、对设备依赖性不高的情况下能够达到与化学气相沉积所制备的二维材料阻变存储器(7个数量级)相似的开关比，在这样的高开关比下阻变存储器还具有着多级储存的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及阻变存储器领域，尤其涉及一种二维材料阻变存储器及其制备方法。
背景技术
在当今信息***的时代，信息存储成为了人们日常的必需，目前主流的存储器，如DRAM，SRAM和FLASH等，其存储技术均采用晶体管构建存储位元，然而CMOS工艺尺寸已经逐步接近其理论极限尺寸。由此阻变存储器应需而生，阻变存储器以其简单的三明治结构可以将其尺寸缩小在纳米级，这对于当今数字信息***的时代无疑是具有巨大的潜力，其展示出存储密度是DRAM的10倍，存储速度比固态快1000倍。尤其是二维材料的加入使得阻变存储器的存储密度更上一个台阶。
目前，阻变存储器制备中，二维材料的制备方法主要有化学气相沉淀、液相剥离、水热法等。其中化学气相沉淀能够得到大面积质量很好的二维材料薄膜，在阻变存储器上运用能产生的效果是最佳的，但是其对设备的要求、高温的需求以及效率低得缺点，使得二维材料阻变存储器仅能处在研究阶段。液相剥离得到的二维材料面积太小并不能直接用于阻变存储器还需利用其他工艺，如旋涂，滴铸等工艺使得二维材料形成均匀薄膜，而这两种方法对配置溶液的黏稠度，挥发性等有着较高的要求，且在制备过程中可能会引入杂质以及产生有毒物质。因其制备方式所制备的阻变存储器展示的阻变特性远不如化学气象沉淀制备的阻变存储器。水热法主要用来制备氧化物薄膜，也有文献报道用来制备MoS2、h-BN等二维材料，但是有的加热温度高达上千度，在这种高温下，容器所承受的压强极大，在对设备要求较高的同时也会产生安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维材料阻变存储器及其制备方法，旨在解决现有技术中的二维材料阻变存储器制备成本高和质量较差的问题。
本发明提供一种二维材料忆阻器制备方法，包括如下步骤：
使用lift-off工艺加工第一衬底，得到第一样片；
对第二衬底进行二维材料成膜处理；
将第二衬底上的所述二维材料膜通过湿法转移到所述第一样片上，得到第二样片；
在所述第二样片上沉积顶电极。
使用lift-off工艺加工第一衬底，得到第一样片的步骤包括：
在第一衬底上光刻出电极图形；
在所述第一衬底上沉积底电极，然后通过去胶处理将所述底电极留在所述第一衬底上，得到第一样片。
其中，在所述第一衬底上沉积底电极的步骤中：
采用溅射工艺或者蒸发蒸镀工艺在所述第一衬底上沉积所述底电极。
其中，对第二衬底进行二维材料成膜处理的步骤包括：
配置二维材料的悬浊液，将所述悬浊液先水浴超声处理，然后离心处理，得到第一悬浊液；
将第二衬底固定在容器中，倒入去离子水，并淹没所述第二衬底；
将所述第一悬浊液的上清液倒入所述容器中，形成混合溶液；
对所述容器超声处理，然后静置，所述混合溶液液面上形成二维材料膜；
打开容器底部的排水开关，待所述混合溶液的液面下降，所述第二衬底承接所述二维材料膜；
将单抛硅片盖在所述二维材料膜上，用塑料膜盖在所述单抛硅片的上面，并用蜡密封四周，得到第三样片；
将所述第三样片烘干后加压处理，然后撤去所述蜡塑料薄膜并进行退火处理。
其中，将所述悬浊液先水浴超声处理，然后离心处理，得到第一悬浊液的步骤中：
用有机溶液配置所述二维材料的悬浊液；
水浴超声处理的时间为6h～12h；
以8000RPM～20000RPM的转速离心处理1h～2h。
其中，将第二衬底固定在容器中，倒入去离子水，并淹没所述第二衬底的步骤中：
所述去离子水的液面高于所述衬底0.25cm～1cm。
其中，将所述第一悬浊液的上清液倒入所述容器中的步骤中：
选取1/4～1/3的所述第一悬浊液的上清液，并滴入所述容器中。
其中，将所述第二样片加压处理的步骤中：
对所述第二样片通过机械或者增压的方式压紧。
其中，在所述第二样片上沉积所述顶电极的步骤中：
采用磁控溅射或者蒸发蒸镀工艺在所述第一衬底上沉积底电极。
本发明提供一种采用上述所述的二维材料忆阻器制备方法制备的二维材料忆阻器，包括所述第一衬底、所述底电极、所述二维材料膜和所述顶电极，所述底电极与所述第一衬底固定连接，并位于所述第一衬底的顶部，所述顶电极与所述底电极通过所述二维材料膜固定连接，并位于所述底电极的顶部。
本发明的有益效果为：相比于化学气相沉积(CVD)制备的阻变存储器具有制备方便和对设备没有依赖性等优势，对于滴铸和旋涂等方法制备的阻变存储器又具有均匀性好，重复性好，制备简单等优势。利用本发明所述方法制备的二维材料阻变存储器所展示了6个数量级的开关比，相比于其他传统材料(例如氧化物，硫化物，有机物等)在几十纳米以下表现出的2到3个数量级具有明显优势，并且高于基于滴铸法和旋涂法制备的二维材料阻变存储所展示的4到5个数量级，在制备简单、对设备依赖性不高的情况下能够达到与化学气相沉积所制备的阻变存储器(7个数量级)相似的开关比，在这样的高开关比下阻变存储器具有着多级储存的潜能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明的二维材料忆阻器制备方法的步骤流程图。
图2是本发明的二维材料阻变器的结构示意图。
图3是本发明的所述顶电极的结构示意图。
图4是具体实例一所制备的二维材料阻变器的I-V曲线图。
1-第一衬底、2-底电极、3-二维材料膜、4-顶电极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。此外，在本发明的描述中，“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至图4，本发明提供一种二维材料忆阻器制备方法，包括如下步骤：
S1：使用lift-off工艺加工第一衬底，得到第一样片；
S2：对所述第二衬底进行二维材料成膜处理；
S3：将第二衬底上的所述二维材料膜通过湿法转移到所述样片上，得到第二样片；
S4：在所述第二样片上沉积所述顶电极。
具体的，使用lift-off工艺加工第一衬底，得到第一样片的步骤包括：
在第一衬底上光刻出电极图形；
在所述第一衬底上沉积底电极，然后通过去胶处理将所述底电极留在所述第一衬底上，得到第一样片。
具体的，利用光刻在所述第一衬底上面画出所述电极图形。
具体的，采用溅射工艺或者蒸发蒸镀工艺在所述第一衬底上沉积底电极，然后通过去胶将所述底电极留在衬底上。
具体的，用有机溶剂作为溶剂配置二维材料的悬浊液，并水浴超声6h～12h，将水浴超声后的悬浊液以8000RPM～20000RPM离心处理1h～2h，得到所述第一悬浊液。有机溶剂包括二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、1,2二氯乙烷、环己酮、氯仿等；
将所述第二衬底固定在容器中，并倒入去离子水，所述去离子水淹没所述衬底，且所述去离子水的液面高于所述衬底0.25cm～1cm；
选取1/4～1/3的所述第一悬浊液的上清液，并滴入所述容器中；
将所述容器超声处理10min～30min，然后静置1h～4h；
打开容器底部的排水开关，或通过注射器软管从所述溶液底部吸取所述去离子水和所述上清液组成的所述混合溶液，使得所述混合溶液的液面下降，待所述混合溶液的液面下降，所述第二衬底承接所述混合溶液液面上形成的所述二维材料膜；
将单抛硅片抛面朝下并盖在所述二维材料膜上，所述单抛硅片稍大于所述第二衬底，用塑料膜盖在所述单抛硅片的上面，并用蜡密封四周，得到所述第三样片；
将所述第三样片放入加压装置中烘干后，通过机械或者增压的方式压紧，使得所述第二衬底所得到的二维材料薄膜更加致密，最后撤去所述蜡和所述塑料膜并进行退火处理，从而。
具体的，通过湿法转移将所述二维材料膜转移到所述第一衬底顶部的所述底电极上。
具体的，利用掩膜版并通过磁控溅射或电子束蒸发沉积顶电极。
本发明还提供一种采用上述所述的二维材料忆阻器制备方法制备的二维材料忆阻器，包括所述第一衬底1、所述底电极2、所述二维材料膜3和所述顶电极4，所述底电极2与所述第一衬底1固定连接，并位于所述第一衬底1的顶部，所述顶电极4与所述底电极2通过所述二维材料膜3固定连接，并位于所述底电极2的顶部。
所述底电极的材料一般可以为Pt、Au、TiN、ITO等，厚度为150nm～200nm。所述二维材料膜的厚度一般在40nm～70nm。所述顶电极的材料一般为Ag、Al、Cu等，厚度也在150nm～200nm。顶电极图形形状和底电极一样，线条宽度为10μm～100μm，下方引出的电极为300μm×300μm的正方形(不同宽度电极引出电极都是300μm×300μm)，引出电极之间的距离为100μm(不同宽度电极引出电极都是100μm)，利用所述掩膜版并通过磁控溅射或电子束蒸发沉积所述顶电极时，线宽为100μm以下的只能用Si掩膜版，100微米的可以用金属掩膜版。
具体实施例一：
所述第一衬底采用ITO玻璃衬底，将ITO玻璃衬底通过光刻在表面做出图形，10条40μm的线条。
采用磁控溅射或者蒸发蒸镀工艺在ITO玻璃衬底上沉积底电极。
取1g的六方氮化硼粉末以及的二甲基甲酰胺配成二维材料的悬浊液，并在水浴超声10小时，得到所述第一悬浊液。
随后取1/3所述第一悬浊液的上清液，然后通过真空过滤确定其浓度。
选取1cmx1cm铜箔作为所述第二衬底，所述容器选用烧杯，将1cmx1cm铜箔以及注射器软管固定在烧杯(100ml)的中间，并加去离子水，且刚好淹过1cmx1cm铜箔0.5cm处。
将注射器接在软管上，缓慢地吸取所述混合溶液，使得所述混合溶液液面缓慢下降，最终所述混合溶液表面的所述二维材料膜会无伤地承接在1cmx1cm铜箔上。接着将得到的1cmx1cm铜箔在50℃下烘烤1个小时。
将烘干后的1cmx1cm铜箔放在一个展台上并用一片面积稍大于铜箔的所述单抛硅片，抛面朝下盖在所述二维材料膜上，用塑料膜盖在所述单抛硅片上面并用蜡密封四周，最后将展台放进加压装置加压，增加所述二维材料膜的致密性，最后撤去蜡和塑料薄膜并将所述第二在氮气氛围下以1200℃下退火3个小时，得到第二样片。
在所述第二样片的所述二维材料膜上，以3000rpm～5000rpm的转速，旋涂上一层PMMA，并在100℃烘烤10min，然后将所得到所述第二样片放进稀硝酸除去铜箔，用镊子夹起所述二维材料膜用去离子水冲洗，将其覆盖在所述底电极的顶部，并在100摄氏度烘烤1h，最后用丙酮除去聚甲基丙烯酸甲酯。
最后，利用金属掩膜版并通过磁控溅射或电子束蒸发沉积顶电极，完成所述二维材料忆阻器的制备。
本发明制备的二维材料阻变存储器相比于化学气相沉积(CVD)制备的阻变存储器具有制备方便和对设备没有依赖性等优势，对于滴铸、旋涂等方法制备的阻变存储器又具有均匀性好，重复性好，制备简单等优势。利用本发明所述方法制备的二维材料阻变存储器所展示了6个数量级的开关比，相比于其他传统材料(例如氧化物，硫化物，有机物等)在几十纳米以下表现出的2到3个数量级，并且高于滴铸、旋涂所展示的4到5个数量级，在制备简单、对设备依赖性不高的情况下能够达到与化学气相沉积所制备的阻变存储器(7个数量级)相似的开关比，在这样的高开关比下阻变存储器具有着多级储存的潜力。多级储存的能力能够使得阻变存储器在数据存储方面增加阻变存储器的存储密度。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种二维材料忆阻器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
使用lift-off工艺加工第一衬底，得到第一样片；
对第二衬底进行二维材料成膜处理；
将第二衬底上的二维材料膜通过湿法转移到所述第一样片上，得到第二样片；
在所述第二样片上沉积顶电极；
对第二衬底进行二维材料成膜处理的步骤包括：配置二维材料的悬浊液，将所述悬浊液先水浴超声处理，然后离心处理，得到第一悬浊液；
将第二衬底固定在容器中，倒入去离子水，并淹没所述第二衬底；
将所述第一悬浊液的上清液倒入所述容器中，形成混合溶液；
对所述容器超声处理，然后静置，所述混合溶液液面上形成二维材料膜；
打开容器底部的排水开关，待所述混合溶液的液面下降，所述第二衬底承接所述二维材料膜；
将单抛硅片盖在所述二维材料膜上，用塑料膜盖在所述单抛硅片的上面，并用蜡密封四周，得到第三样片；
将所述第三样片烘干后加压处理，然后撤去所述蜡和所述塑料膜进行退火处理。
2.如权利要求1所述的二维材料忆阻器制备方法，其特征在于，使用lift-off工艺加工第一衬底，得到第一样片的步骤包括：
在第一衬底上光刻出电极图形；
在所述第一衬底上沉积底电极，然后通过去胶处理将所述底电极留在所述第一衬底上，得到第一样片。
3.如权利要求2所述的二维材料忆阻器制备方法，其特征在于，在所述第一衬底上沉积底电极的步骤中：
采用溅射工艺或者蒸发蒸镀工艺在所述第一衬底上沉积底电极。
4.如权利要求3所述的二维材料忆阻器制备方法，其特征在于，将所述悬浊液先水浴超声处理，然后离心处理，得到第一悬浊液的步骤中：
用有机溶液配置所述二维材料的悬浊液；
水浴超声处理的时间为6h～12h；
以8000RPM～20000RPM的转速离心处理1h～2h。
5.如权利要求3所述的二维材料忆阻器制备方法，其特征在于，将第二衬底固定在容器中，倒入去离子水，并淹没所述第二衬底的步骤中：
所述去离子水的液面高于所述衬底0.25cm～1cm。
6.如权利要求3所述的二维材料忆阻器制备方法，其特征在于，将所述第一悬浊液的上清液倒入所述容器中的步骤中：
选取1/4～1/3的所述第一悬浊液的上清液，并滴入所述容器中。
7.如权利要求3所述的二维材料忆阻器制备方法，其特征在于，将所述第三样片加压处理的步骤中：
对所述第二样片通过机械或者增压的方式压紧。
8.如权利要求1所述的二维材料忆阻器制备方法，其特征在于，在所述第二样片上沉积所述顶电极的步骤中：
利用掩膜版并通过溅射或者蒸发蒸镀工艺沉积顶电极。
9.采用如权利要求1所述的二维材料忆阻器制备方法制备的二维材料忆阻器，其特征在于，
包括所述第一衬底、所述底电极、所述二维材料膜和所述顶电极，所述底电极与所述第一衬底固定连接，并位于所述第一衬底的顶部，所述顶电极与所述底电极通过所述二维材料膜固定连接，并位于所述底电极的顶部。
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