一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器及其制备方法，属于忆阻器技术领域。所述忆阻器为MIM形式结构，其结构从下至上依次为：底电极、二硫化钼/硫化锌双层薄膜功能层、顶电极。本发明专利技术的这种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器具有MoS2/ZnS界面，其在施加偏压下，硫空位能够容易地从MoS2漂移到ZnS中，形成硫空位导电通道，使器件进入低阻态；当施加相反偏压时，硫空位重新漂移回到MoS2，导电通道断裂，使器件回到高阻态，同时，本发明专利技术采用的惰性电极阻止了硫空位进入顶电极，大幅度改善了忆阻器的重复性。

【技术实现步骤摘要】
一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器及其制备方法
本专利技术涉及忆阻器
，尤其涉及一种具有双功能层结构的忆阻器及其制备方法。
技术介绍
忆阻器作为第四种无源器件，是一种具有非线性电阻功能的器件，利用其能够记忆电阻状态的特性，可以应用于非易失性阻抗存储器(RRAM)与类脑计算。在RRAM的应用方面，更高的集成密度、更低的功耗以及更高的稳定性已成为阻碍其发展的关键。目前，应用于RRAM的忆阻器一般为金属-绝缘体-金属(MIM)结构，中间功能层材料与结构的选择对忆阻性能有很大影响，现今大多数忆阻器件只具有一层功能层并且器件导通机制基于氧空位，而氧空位在器件工作过程中容易与大气中的氧交换，造成氧空位浓度的变化，这就造成了忆阻器存在开关比低、操作电压高与重复性差等缺点，严重限制了忆阻器在RRAM中的应用。因此，研究者开始探索新型的器件导通机制，例如，专利文献201610813160.7公开了一种忆阻器，包括：依次在衬底上形成底电极层和中间介质层，在中间介质层上形成顶电极，所述中间介质层的材料为在氧化性气氛中进行热处理后的硫化物。该专利文献通过采用合适的顶电极以及氧化气氛中热处理的硫化物薄膜组合，使得忆阻器表现出许多优异的循环稳定性、抗疲劳性、超低的工作电压。然而，本专利技术认为，该专利文献中涉及的导通机制为电化学金属化，即金属粒子在施加电压下发生的氧化还原反应，在SET过程中，金属粒子极有可能在电场的作用下与电极发生反应，造成导电灯丝的过生长，这对器件的重复性能影响较大。专利文献201611178578.1公开了一种忆阻器，包括：依次在衬底上形成底电极层、中间介质层和顶电极层；所述中间介质层由硫族化合物层和氧化物层组成，其中，硫族化合物层与底电极层相接，氧化物层与顶电极层相接。该专利文献通过采用合适的顶电极与氧化物层和硫族化合物层组合，使得制备出的忆阻器具有超低的工作电压，表现出超高的电灵敏性。然而，本专利技术认为，该专利文献中涉及到的导通机制为金属粒子在电场作用下的漂移，其往往需要电成形过程，不利于器件的低功耗，且金属粒子导电机制往往对电极生长的参数要求比较高。另外，现有的忆阻器中间功能层的忆阻材料制备主要利用磁控溅射、脉冲激光沉积、原子层沉积等方法，但这些方法导致中间功能层的制备成本高，工艺复杂，难以适应RRAM的大规模生产。综上，现有的基于氧空位导通机制的忆阻器在其制备方法上具有成本高、条件复杂，并且制备出的忆阻器具有重复性差、开关比低、操作电压高等缺点。因此，进一步探索忆阻器导通机制，寻求更加简单高效的制备方法、更加优化的器件材料及结构，是解决现有忆阻器存在的问题的关键。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术旨在提供一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器及其制备方法。本专利技术在非真空条件下，以化学溶液法为器件制备手段，通过构建以硫空位为导电通道的二硫化钼/硫化锌(MoS2/ZnS)双层功能层的结构，有效解决了氧空位导通机制的忆阻器存在的成本高、条件复杂、忆阻器重复性差、开关比低、操作电压高的问题。本专利技术的目的之一是提供一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器。本专利技术的目的之二是提供一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器的制备方法。本专利技术的目的之三是提供二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术公开一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器，所述忆阻器为MIM形式结构，其结构从下至上依次为：底电极、二硫化钼/硫化锌(MoS2/ZnS)双层薄膜功能层、顶电极。本专利技术设计这种结构的忆阻器的目的之一，是为了阻止扩散的硫空位与电极之间发生氧化还原反应，底电极与顶电极为惰性电极，中间双层薄膜，其中MoS2因其独特的二维材料性质，经过在特殊的环境气氛下退火处理后，可以提供丰富的硫空位，ZnS层在电场的作用下可以收集扩散到其中的硫空位，并形成硫空位导电通道。这样就避免了单层MoS2在SET过程中产生大量导电通道，而在RESET过程中不完全断裂的问题。所述二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器中，底电极包括：氟掺杂二氧化锡(FTO)导电玻璃、氧化铟锡(ITO)导电玻璃等。所述二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器中，顶电极为惰性电极，例如，Au、Ag、Pt等。进一步地，所述顶电极的厚度为100-300nm。本专利技术的这种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器具有MoS2/ZnS界面，其在施加偏压下，硫空位能够容易地从MoS2漂移到ZnS中，形成硫空位导电通道，使器件进入低阻态(SET过程)；当施加相反偏压时，硫空位重新漂移回到MoS2，导电通道断裂，使器件回到高阻态(RESE过程)，同时，本专利技术采用的惰性电极阻止了硫空位进入顶电极，大幅度改善了忆阻器的重复性。其次，本专利技术公开一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器的制备方法，包括如下步骤：(1)制备MoS2：清洗底电极，备用；将钼酸钠与硫代乙酰胺溶于去离子水中并搅拌至完全溶解；然后将得到的混合液与底电极进行水热反应，反应结束后取出底电极，用乙醇清洗干净并置于空气中自然干燥，得到覆有MoS2薄膜的底电极；(2)制备ZnS：将醋酸锌在连续搅拌条件下充分溶于去离子水中，备用；将硫化钠充分溶于去离子水中，备用；将上述两种溶液混合后进行水热反应，对得到的沉淀物(ZnS)经超声离心后烘干，得到ZnS粉末；(3)将步骤(2)得到的ZnS粉末溶于有机溶剂中，并将得到的溶液旋涂在步骤(1)的覆有MoS2薄膜的底电极的MoS2薄膜上，得到涂覆在底电极上的MoS2/ZnS双层功能层；(4)对步骤(3)中的MoS2/ZnS双层功能层进行退火处理；以提升ZnS的结晶度；(5)将顶电极制备到步骤(4)退火后的MoS2/ZnS双层功能层上，即得二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器。步骤(1)中，所述清洗导电玻璃的方法为：将导电玻璃依次放于乙醇、丙酮、去离子水中，分别超声清洗10min，即得。步骤(1)中，所述底电极包括：氟掺杂二氧化锡(FTO)导电玻璃、氧化铟锡(ITO)导电玻璃等。步骤(1)中，所述钼酸钠、硫代乙酰胺、去离子水的质量比为1：2：1.5-2.5；不同浓度的溶液会影响制备出的MoS2薄膜的质量，步骤(1)中，所述水热反应的条件为：在100-250℃之间反应5-15h。步骤(2)中，所述醋酸锌的浓度为0.2-0.8M，所述硫化钠的浓度为0.5-1.2M。步骤(2)中，所述醋酸锌和硫化钠的体积添加比例相同。步骤(2)中，所述水热反应的条件为：在100-250℃之间反应5-15h。步骤(3)中，所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮等。步骤(3)中，所述旋涂指：室温下利用旋涂机以2000-5000rpm的速度将含有ZnS的有机溶剂旋涂在FTO底电极上，旋涂时间30-90秒。进一步地，步骤(3)中，所述旋涂过程重复3-8次，以获得理想厚度的ZnS薄膜。步骤(4)中，所述退火的条件为：氮气气氛中，在200-600℃下退火5-15小时。步骤(5)中，通过直流射频溅射的方式将顶电极制备到步骤(3)退火后的MoS2/ZnS双层功能层上。步骤(5)中，所述顶电极为惰性电极，例如，Au、Ag、Pt等。进一步地，所述直流射频溅射的条件为：氩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器，其特征在于：所述忆阻器为MIM形式结构，其结构从下至上依次为：底电极、二硫化钼/硫化锌双层薄膜功能层、顶电极。

【技术特征摘要】
1.一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器，其特征在于：所述忆阻器为MIM形式结构，其结构从下至上依次为：底电极、二硫化钼/硫化锌双层薄膜功能层、顶电极。2.如权利要求1所述的二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器，其特征在于：所述底电极包括：氟掺杂二氧化锡导电玻璃或氧化铟锡导电玻璃。3.如权利要求1或2所述的二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器，其特征在于：所述顶电极为惰性电极，优选为Au、Ag或Pt电极；或者，所述顶电极的厚度为100-300nm。4.一种二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：制备MoS2：清洗底电极，备用；将钼酸钠与硫代乙酰胺溶于去离子水中并搅拌至完全溶解；然后将得到的混合液与底电极进行水热反应，反应结束后取出底电极，用乙醇清洗干净并置于空气中自然干燥，得到覆有MoS2薄膜的底电极；制备ZnS：将醋酸锌在连续搅拌条件下充分溶于去离子水中，备用；将硫化钠充分溶于去离子水中，备用；将上述两种溶液混合后进行水热反应，对得到的沉淀物经超声离心后烘干，得到ZnS粉末；(1)将得到的ZnS粉末溶于有机溶剂中，并将得到的溶液涂覆在覆有MoS2薄膜的底电极的MoS2薄膜上，得到涂覆在底电极上的MoS2/ZnS双层功能层；(2)对所述MoS2/ZnS双层功能层进行退火处理；(3)将顶电极制备到所述退火后的MoS2/ZnS双层功能层上，即得二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器。5.如权利要求4所述的二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述清洗导电玻璃的方法为：将导电玻璃依次放于乙醇、丙酮、去离子水中，分别超声清洗10min，即得；或者，所述底电极包括：氟掺杂二氧化锡导电玻璃、氧化铟锡导电玻璃；或者，所述钼酸钠、硫代乙酰胺、去离子水的质量比为1-2.5：3-5：1.5-2.5；或者，所述制备MoS2时，水热反应的条件为：在100-250℃之间反应5-15h；或者，所述醋酸锌的浓度为0.2-0.8M，所述硫化钠的浓度为0.5-1.2M；或者，所述醋酸锌和硫化钠的体积添加比例相同；或者，所述制备ZnS时，水热反应的条件为：在100-250℃之间反应5-15h。6.如权利要求4所述的二硫化钼/硫化锌双功能层结构忆阻器的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮；或者，步骤(1)中，所述旋涂指：室温下利用旋涂机以2000-5000rpm的速度将含有ZnS的有机溶剂旋涂在氟掺杂二氧化锡底电极上，旋涂时间30-90秒；或者，步骤(1)中，所述旋涂过程重复3-...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳，王文晓，岳文静，张春伟，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37