基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件及其制备方法，该存储器件由下电极、中间电活性存储层和上电极组成，其中下电极选自ITO导电玻璃、单晶硅、表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜中的一种，中间电活性存储层为磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料，上电极为金属铝。本发明专利技术利用水溶性的磺化石墨烯作为掺杂剂与聚吡咯发生分子间相互作用，实现石墨烯与聚吡咯的有效均匀复合，同时聚吡咯减弱了石墨烯与金纳米粒子的聚集，石墨烯与金纳米粒子改善了载流子在复合材料中的传输能力，保证了存储器件的稳定性与重复性。

【技术实现步骤摘要】
基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件及其制备方法
本专利技术涉及复合材料及微电子
，具体涉及一种基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件及其制备方法。
技术介绍
在电子半导体工业中，大部分存储器件是用无机氧化物半导体材料制造的，然而随着小尺寸无机半导体材料的制备工艺越来越复杂，其逐渐无法满足存储器件对于大存储容量与快存储速率的要求。分子结构可控、易加工的有机导电高分子材料已被广泛用于构造传感器、晶体管、发光二极管与太阳能电池，它们也成为构造新型存储器件的候选材料之一。聚吡咯作为一种导电高分子材料，也被用来构造存储器件。在不同的外加电场下，聚吡咯分子内的载流子传输状态会发生改变，呈现出高电阻与低电阻两种不同的电阻状态，完成了信息的存储。但是载流子在聚吡咯中传递性、稳定性较差，导致基于聚吡咯的存储器件的存储性能与存储重复性有待进一步提升。石墨烯与金属纳米粒子具有良好的电学性能，但是石墨烯亲水性差不利于在水中分散，而且石墨烯与金属纳米粒子易于聚集。杜瑶等人(杜瑶.石墨烯基复合材料的制备及其在光电信息存储领域的应用[D].北京化工大学,2016.)将银纳米粒子通过交联分子共价接枝到表面含有羟基等官能团的氧化石墨烯上，改善了氧化石墨烯的性能，得到了基于银纳米粒子-氧化石墨烯复合材料的存储器件，但是加入的交联分子不利于提升载流子的传输能力。对于石墨烯/聚吡咯复合材料，如何实现石墨烯与聚吡咯在分子层次上的均匀复合，减弱石墨烯的聚集情况，如何改善载流子在石墨烯与聚吡咯复合材料中的传输，提升存储器件的综合性能，仍需要做大量的研究工作。专利技术内容本专利技术的目的在于解决现有石墨烯/聚吡咯复合材料应用于存储器件存在的上述问题，提供一种基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件及其制备方法。该存储器件由导电玻璃类下电极、沉积在下电极上的磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料中间电活性存储层、铝上电极组成，利用水溶性的磺化石墨烯作为掺杂剂与聚吡咯发生分子间相互作用，实现石墨烯与聚吡咯的有效均匀复合，聚吡咯减弱了石墨烯与金纳米粒子的聚集，石墨烯与金纳米粒子改善了载流子在复合材料中的传输能力，保证了存储器件的稳定性与重复性。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件，由下电极、中间电活性存储层和上电极组成，其中下电极选自ITO导电玻璃、单晶硅、表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜中的一种，所述中间电活性存储层为磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料，所述上电极为金属铝。进一步的，所述中间电活性存储层厚度为100-150nm，所述上电极厚度为100-300nm。上述存储器件的制备方法，包括以下步骤：(a)将下电极表面处理干净备用；(b)对石墨改性得到磺化石墨烯，接着在氧化剂存在条件下，将磺化石墨烯与吡咯单体混合反应，分离得到磺化石墨烯/聚吡咯复合材料；(c)将磺化石墨烯/聚吡咯复合材料分散在水中，再加入高氯酸金，反应后分离得到磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料；(d)将磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料分散在甲苯类溶剂中，所得溶液旋涂在下电极上，干燥后得到中间电活性存储层；(e)在中间电活性存储层上蒸镀一层铝，得到存储器件。按照上述方案，步骤(a)所述下电极为ITO导电玻璃或单晶硅或表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜。按照上述方案，步骤(b)中磺化石墨烯与吡咯单体、氧化剂的质量比为1：0.3-34：0.7-200，混合后在常温下反应12-36h。按照上述方案，所述氧化剂为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、过硫酸钾、过硫酸铵中的一种。按照上述方案，步骤(c)中磺化石墨烯/聚吡咯复合材料与高氯酸金的质量or摩尔比为1：0.02-0.6，磺化石墨烯/聚吡咯复合材料分散在水中需超声0.5-1h，加入高氯酸金后在0-4℃反应0.5-2h。按照上述方案，步骤(d)中旋涂速度为3000-5000转/分钟，旋涂时间为30-60秒，旋涂完成后在100℃下干燥10-20min。按照上述方案，旋涂形成的中间电活性存储层的厚度控制在100-150nm，上电极的厚度控制在100-300nm。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)磺化石墨烯既保证了石墨烯的电学性能，又改善了石墨烯的溶解性能，利用水溶性的磺化石墨烯作为掺杂剂，与聚吡咯发生分子间相互作用，实现了石墨烯与聚吡咯在分子层次上的有效均匀复合；(2)磺化石墨烯表面包覆的聚吡咯与高氯酸金发生氧化还原反应，有利于生成的金纳米粒子均匀分布在石墨烯表面；(3)聚吡咯减弱了石墨烯与金纳米粒子的聚集，石墨烯与金纳米粒子改善了载流子在复合材料中的传输能力，保证存储器件的稳定性与重复性。具体实施方式为使本领域普通技术人员充分理解本专利技术的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。实施例11)按照文献报道(NanoLetters，2008，8，1679-1682)，利用石墨作为原材料，依次通过化学还原、磺化、还原等步骤制备磺化石墨烯；2)将0.01g磺化石墨烯加入到含有1mmol吡咯单体的水溶液中，再加入1.5mmol的氯化铁，常温反应24小时后离心、洗涤，得到磺化石墨烯/聚吡咯复合材料；3)将0.02g磺化石墨烯/聚吡咯复合材料分散在水中并超声0.5小时，再加入0.3mL浓度为10mg/mL的高氯酸金水溶液，在0℃下反应0.5小时后离心、洗涤，得到磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料；4)将磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料超声分散在甲苯中，然后在清洁好的ITO导电玻璃上以5000转/分钟的转速旋涂上述含有复合材料的甲苯溶液，旋涂时间为30秒，最后将表面旋涂有复合材料的ITO导电玻璃置于100℃下干燥10分钟，得到厚度为100nm的中间电活性存储层；5)在旋涂完成的中间电活性存储层上蒸镀一层厚度为180nm的金属铝作为上电极材料，即制得了基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件。在室温环境下，通过半导体参数分析探测仪器测试器件的电流-电压曲线，测定器件的开启电压约为2.2V，开关电流比约为4.3×104。结果表明该器件具有较好的存储效应。实施例21)按照文献报道(NanoLetters，2008，8，1679-1682)，利用石墨作为原材料，依次通过化学还原、磺化、还原等步骤制备磺化石墨烯；2)将0.02g磺化石墨烯加入到含有2mmol吡咯单体的水溶液中，再加入2mmol的过硫酸铵，常温反应30小时后离心、洗涤，得到磺化石墨烯/聚吡咯复合材料；3)将0.02g磺化石墨烯/聚吡咯复合材料分散在水中并超声0.5小时，再加入0.4mL浓度为10mg/mL的高氯酸金水溶液，在0℃下反应1小时后离心、洗涤，得到磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料；4)将磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料超声分散在甲苯中，然后在清洁好的ITO导电玻璃上以4000转/分钟的转速旋涂上述含有复合材料的甲苯溶液，旋涂时间为50秒，最后将表面旋涂有复合材料的ITO导电玻璃置于100℃下干燥20分钟，得到厚度为120nm的中间电活性存储层；5)在旋涂完成的中间电活性存储层上蒸镀一层厚度为200nm的金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件，其特征在于：该存储器件由下电极、中间电活性存储层和上电极组成，其中下电极选自ITO导电玻璃、单晶硅、表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜中的一种，中间电活性存储层为磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料，上电极为金属铝。

【技术特征摘要】
1.一种基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件，其特征在于：该存储器件由下电极、中间电活性存储层和上电极组成，其中下电极选自ITO导电玻璃、单晶硅、表面蒸镀有氧化铟掺锡的柔性PET聚酯薄膜中的一种，中间电活性存储层为磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料，上电极为金属铝。2.根据权利要求1所述的一种基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件，其特征在于：所述中间电活性存储层厚度为100-150nm，所述上电极厚度为100-300nm。3.一种基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将下电极表面处理干净备用；(b)将石墨改性得到磺化石墨烯，接着在氧化剂存在条件下，将磺化石墨烯与吡咯单体混合反应，分离得到磺化石墨烯/聚吡咯复合材料；(c)将磺化石墨烯/聚吡咯复合材料分散在水中，再加入高氯酸金，反应后分离得到磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料；(d)将磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料分散在甲苯类溶剂中，将所得溶液旋涂在下电极上，干燥后得到中间电活性存储层；(e)在中间电活性存储层上蒸镀一层铝，得到存储器件。4.根据权利要求3所述的基于磺化石墨烯/聚吡咯/金纳米粒子复合材料的存储器件的制备方法，其特征在于：步骤(a)所述下电极为ITO导...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亮，周含，刘玉兰，喻湘华，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42