一种基于纳米级单层阻变膜的忆阻器制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米级单层阻变膜的忆阻器制备方法，其运用阻变膜在偏压下产生的空穴和电离氧离子为载流子，并依靠其产生量的变化，以实现器件电阻变化的原理，在现有技术的基础上，从简化工艺和改进阻变膜材料配方两方面着手：省略了阻变膜陶瓷材料的预先烧结步骤、并选用金属离子化合价更高、陶瓷烧结温度更低的原料、采用更低的煅烧温度，以使Ca

A memristor preparation method based on nanoscale single-layer resistive film

The invention discloses a variable resistance based on single nanometer film memristor preparation method, the use of resistive film in the bias hole and ionized oxygen ions as the carrier, and rely on the amount of change, in order to realize the principle of resistance of the device changes, on the basis of existing technology, starting from the to simplify the process and improvement of two resistive film material formula: omit the resistive film of ceramic materials, pre sintering step and the metal ion valence of higher and lower sintering temperature of ceramic raw materials, with lower calcination temperature, so that the Ca

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米级单层阻变膜的忆阻器制备方法本申请为申请号201610040620.7、申请日2016年1月21日、专利技术名称“一种基于纳米级单层Bi(1-x)CaxFeO3-x/2阻变膜忆阻器的制备方法”的分案申请。
本专利技术涉及一种忆阻器的制备方法，尤其涉及一种基于纳米级单层Bi(1-x)CaxFeO3-x/2阻变膜忆阻器的制备方法；属于非线性电路应用领域。
技术介绍
忆阻器，又名记忆电阻，是继电阻、电容和电感之后出现的第四种无源电路元件。由于其具有非易失性、突触功能和纳米尺度结构，在高密度非易失性存储器、人工神经网络、大规模集成电路、可重构逻辑和可编程逻辑、生物工程、模式识别、信号处理等领域具有巨大的应用前景。并有望为制造存储精度无限、超高存储密度的非易失性存储设备、具有能够调节神经元突触权的人工神经网络和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等的发展铺平道路，给计算机的制造和运行方式带来革命性变革。目前的研究，忆阻性能实现机理划分，可分为基于边界迁移模型、基于电子自旋阻塞模型、基于相变机制，以及基于丝导电机制等几种。近年来，尽管忆阻器的研究已经取得了较大的进展，但我们也要看到，作为一个基本的电路元件来说，忆阻器的研究可以说是，才刚刚起步，主要表现在以下几个方面：(1)近年来，不断有新的忆阻材料及忆阻体系报道，但物理实现的忆阻器模型还很少，且相对单一，尚无统一的普适模型对忆阻器行为进行描述。近年来报道的实物忆阻器大都是针对某类应用或模拟某种功能(如高密度非易失性存储器、CrossbarLatch技术、模拟神经突触)而提出的，大多采用与HP忆阻器相类似的开关模型和工作机理，且制作工艺复杂、成本高，对于研究忆阻器特性、忆阻电路理论以及电子电路设计等不具有一般性和普适性。(2)目前尚未实现商业化生产。大多数研究者难以获得一个真正的忆阻器元件，致使很多研究者在研究忆阻器和忆阻电路时，因为缺乏忆阻器元件而无法开展真正物理意义上的硬件实验，更多的是依靠仿真或模拟电路来进行实验研究。然而，忆阻器仿真模型和模拟电路离实际的忆阻器特性相差甚远，用模拟电路进行的硬件实现更多考虑的也是模拟忆阻器数学模型而忽略了忆阻器的本质物理特性。(3)已报道的实物忆阻器的制备，在原材料选择和制备工艺方法上要求高、条件苛刻，条件一般的实验室或科研单位难以完成相关实物忆阻器元件的制备。在忆阻器的物理实现上，现有技术中，比较先进的是，中国专利申请CN103594620A公开了一种单层纳米薄膜忆阻器及其制备方法，其基于物理实现的方式制备出具有复合层结构形式的忆阻器，具体的制备方法：采用CaCO3，SrCO3和TiO3作原料，在900-1300℃下烧结15-240min，制备出Ca(1-x)SrxTiO3-δ陶瓷材料，然后以Ca(1-x)SrxTiO3-δ作靶材(其中，0<x<1，0<δ<3)，采用磁控溅射方法在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上镀膜，镀膜的厚度为20-900nm，再经700-800℃热处理10-30min；最后在Ca(1-x)SrxTiO3-δ纳米薄膜上镀上一层电极。其技术方案的实质，概括而言就是：先制备出用作靶材的Ca(1-x)SrxTiO3-δ(其中，0<x<1，0<δ<3)陶瓷材料，后以该Ca(1-x)SrxTiO3-δ陶瓷材料作靶材，采用磁控溅射方法在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上镀膜，最后再在Ca(1-x)SrxTiO3-δ纳米薄膜上镀上一层电极。上述技术方案的制备方法，其主要缺点和不足在于：1、所制备出的忆阻器忆阻性能较差。原因在于，其阻变层：Ca(1-x)SrxTiO3-δ纳米薄膜是以Ca(1-x)SrxTiO3-δ陶瓷材料作靶材(其中，0<x<1，0<δ<3)，采用磁控溅射方法沉积在下电极表面上的。这种结构形式的单层纳米膜，是以经过较高温度(900-1300℃)的煅烧被烧结成陶瓷材料Ca(1-x)SrxTiO3-δ为靶材，再通过磁控溅射沉积在下电极基材上的，其材料本身内部结构致密，晶格缺陷和空穴数量偏少。2、制备工艺复杂，制备周期长，能耗偏高：原因在于，其制备工艺需要先在900-1300℃的高温下煅烧，制备出Ca(1-x)SrxTiO3-δ陶瓷材料靶材；磁控溅射成型后，还需要再次在700-800℃下热处理10-30min。此外，其还存在工艺条件相对严苛，产品率偏低的问题和不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种易于物理实现、制备工艺简单、控制难度小、质量稳定、生产效率高、成本低廉的单层纳米阻变膜忆阻器的制备方法，其所制备出的忆阻器适于一般电路理论研究和电路设计、具有一般性和普适性。本专利技术为实现上述目的，所采用的第一种技术方案是，一种单层纳米阻变膜忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，制备Bi(1-x)CaxFeO3-x/2靶材，具体步骤如下：(1)、原料混合：将Bi(NO3)3·5H2O3、Ca(NO3)2·4H2O3和Fe(NO3)3·9H2O3，按(1-x)∶x∶1的摩尔比混合，其中，0<x<1；将上述混合物溶于10％-20％的稀硝酸中，放在磁力搅拌器上，进行搅拌，使其完全溶解；(2)、粉体制备向上述溶液中缓慢滴加NaOH溶液直至沉淀完全，过滤沉淀并用去离子水洗涤，滴加NaOH溶液并调节pH值，并装入反应釜中，放入事先达到确定温度200℃的恒温干燥箱内，水热反应24小时；水热反应后，将反应釜自然冷却至室温，将反应釜中所得的样品用去离子水反复清洗直到去除所有可溶性盐，于60℃下烘干后得到Bi(1-x)CaxFeO3-x/2粉体；(3)、造粒：将上述粉体进行造粒：按待造粒混合料质量的2-5％，加入质量百分比浓度为2-5％的聚乙烯醇溶液，拌和均匀后，过40目筛进行造粒；(4)、Bi(1-x)CaxFeO3-x/2靶材的压制成型：将经过造粒后的物料置于压片机上压制成块；然后，将所得块状物料切割成直径为20-150mm，厚度为2-50mm的圆片，即得Bi(1-x)CaxFeO3-x/2靶材；第二步，选取下电极：取Si基片，以Pt或Au为靶材，采用脉冲激光方法或磁控溅射方法，将Pt或Au沉积在Si基片上，形成以Si基片为衬底、材质为Pt或Au的下电极；第三步，将所得到的Bi(1-x)CaxFeO3-x/2靶材，采用脉冲激光方法或磁控溅射方法沉积在上述下电极的上表面上；然后，在700-900℃下热处理10-30分钟，得到化学成分为Bi(1-x)CaxFeO3-x/2的单层陶瓷纳米薄膜；第四步，以材质为Au、Ag或Pt的靶材，采用脉冲激光方法、磁控溅射方法，将Au、Ag或Pt沉积在上述的化学成分为Bi(1-x)CaxFeO3-x/2的单层陶瓷纳米薄膜上，制得上电极，即得单层纳米阻变膜忆阻器；或者：将In-Ga电极液，采用表面印刷方法镀在上述的化学成分为Bi(1-x)CaxFeO3-x/2的单层陶瓷纳米薄膜上，制得上电极，即得单层纳米阻变膜忆阻器。上述技术方案直接带来的技术效果是，采用脉冲激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纳米级单层阻变膜的忆阻器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，制备Bi(1‑x)CaxFeO3‑x/2靶材，具体步骤如下：(1)、原料混合：将Bi(NO3)3·5H2O3、Ca(NO3)2·4H2O3和Fe(NO3)3·9H2O3，按(1‑x)∶x∶1的摩尔比混合，其中，0<x<1；将上述混合物溶于10％‑20％的稀硝酸中，放在磁力搅拌器上，进行搅拌，使其完全溶解；(2)、粉体制备向上述溶液中缓慢滴加NaOH溶液直至沉淀完全，过滤沉淀并用去离子水洗涤，滴加NaOH溶液并调节pH值，并装入反应釜中，放入事先达到确定温度200℃的恒温干燥箱内，水热反应24小时；水热反应后，将反应釜自然冷却至室温，将反应釜中所得的样品用去离子水反复清洗直到去除所有可溶性盐，于60℃下烘干后得到Bi(1‑x)CaxFeO3‑x/2粉体；(3)、造粒：将上述粉体进行造粒：按待造粒混合料质量的2‑5％，加入质量百分比浓度为2‑5％的聚乙烯醇溶液，拌和均匀后，过40目筛进行造粒；(4)、Bi(1‑x)CaxFeO3‑x/2靶材的压制成型：将经过造粒后的物料置于压片机上压制成块；然后，将所得块状物料切割成直径为20‑150mm，厚度为2‑50mm的圆片，即得Bi(1‑x)CaxFeO3‑x/2靶材；第二步，选取下电极：取Si基片，以Pt或Au为靶材，采用脉冲激光方法或磁控溅射方法，将Pt或Au沉积在Si基片上，形成以Si基片为衬底、材质为Pt或Au的下电极；第三步，将所得到的Bi(1‑x)CaxFeO3‑x/2靶材，采用脉冲激光方法或磁控溅射方法沉积在上述下电极的上表面上；第四步，以材质为Au、Ag或Pt的靶材，采用热喷涂方法，将Au、Ag或Pt沉积在上述的化学成分为Bi(1‑x)CaxFeO3‑x/2的单层陶瓷纳米薄膜上，得到上电极；最后，在700‑900℃下热处理10‑30分钟，即得单层纳米阻变膜忆阻器。...

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米级单层阻变膜的忆阻器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，制备Bi(1-x)CaxFeO3-x/2靶材，具体步骤如下：(1)、原料混合：将Bi(NO3)3·5H2O3、Ca(NO3)2·4H2O3和Fe(NO3)3·9H2O3，按(1-x)∶x∶1的摩尔比混合，其中，0&lt;x&lt;1；将上述混合物溶于10％-20％的稀硝酸中，放在磁力搅拌器上，进行搅拌，使其完全溶解；(2)、粉体制备向上述溶液中缓慢滴加NaOH溶液直至沉淀完全，过滤沉淀并用去离子水洗涤，滴加NaOH溶液并调节pH值，并装入反应釜中，放入事先达到确定温度200℃的恒温干燥箱内，水热反应24小时；水热反应后，将反应釜自然冷却至室温，将反应釜中所得的样品用去离子水反复清洗直到去除所有可溶性盐，于60℃下烘干后得到Bi(1-x)CaxFeO3-x/2粉体；(3)、造粒：将上述粉体进行造粒：按待造粒混合料质量的2-5％，加入质量百分比浓度为2-5％的聚乙烯醇溶液，拌和均匀后，过40目筛进行造粒；(4)、Bi(1-x)CaxFe...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦刚，郭梅，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37