一种基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于Ti3C2‑MXene薄膜功能层的选通器件及其制备方法，属于微电子功能器件技术领域。本发明专利技术的选通器件，从下至上依次包括底电极、功能层、顶电极，其中：所述功能层材料为二维Ti3C2‑MXene薄膜。本发明专利技术采用滴涂法在底电极表面制备Ti3C2‑MXene薄膜，成膜简单，容易大面积制备，与衬底材料的附着性好，制得的薄膜致密性好。另外，本发明专利技术制备的选通管器件，具有较高的非线性值和开态电流密度，可以克服串扰问题，使它在电子器件应用领域极具研究价值。

A Gating Device Based on Ti3C2-MXene Film Functional Layer and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件及其制备方法
本专利技术属于微电子功能器件
，具体涉及一种基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件及其制备方法。
技术介绍
随着信息技术的发展，大数据时代人们对数据存储的需求与日剧增。目前主流硅基浮栅存储技术面临理论和技术限制，尺寸难以持续缩小，同时平面集成架构难以进一步提高存储密度来满足大数据时代对存储器的需求。基于新材料、新结构、新原理和新集成架构的新型存储技术成为未来高密度存储发展的趋势，阻变存储器(RRAM)是可以解决传统多晶硅浮栅技术瓶颈的代表性候选技术之一，RRAM通过材料电阻的可逆转变实现存储，与传统闪存相比具有明显优势，成重要的下一代存储技术，并被认为是最适合三维集成的新型存储器之一，在不同的应用领域展现了可大规模市场化的前景。阻变存储器(RRAM)具有单元尺寸小，器件结构简单，操作速度快，功耗低，微缩性好，易于集成等优点，已成为下一代非挥发存储技术的有力竞争者，具有广阔的市场前景。然而，这种器件结构的主要缺点之一是通过相邻存储器单元的漏电流会引起串扰的问题。这些漏电流可能导致无意义的存储器寻址和读取错误。串扰问题还会增加功耗并限制交叉开关阵列的集成规模大小，从而将会严重影响存储器的性能。因此，选通器件成为RRAM集成的必要选择。选通管的性能指标为I-V曲线的非线性度、耐受性、高开态电流和低关态电流、低开启电压以及CMOS工艺兼容性等。目前已经提出的选通管的不同机理有：场助超线性阈值转换(FAST)(field-assistedsuper-linear)、绝缘体金属转换(IMT)(insulatormetaltransition)、混合电子离子传导(MIEC)(mixedionicelectronicconduction)、隧穿势垒(TB)(tunnelingbarrier)、双向阈值转换(OTS)(ovonicthresholdswitch)等。场助超线性选通管通过超线性阈值转化层来达到高的选通比，当所加电压达到阈值电压Vth时形成导电通道，而当电压回扫到Vhold时导电通道消失；IMT选通管是在高阻的绝缘态和低阻的金属态之间转换来达到作用的，而这种转化过程受电压或温度影响的；MIEC转化一般都是在能同时传导电子电荷和离子的材料中发生的。这种选通管通常都是以铜为基底的，这样以铜离子和电子移动来形成导电通道传导实现高非线性比；TB是利用氧化层形成隧穿势垒，并基于隧穿效应以得到高选通比的。选通器件的各项性能参数和转换机理都与组成器件的材料的性能密切相关。不同类型的介质材料将导致耐受性等性能的差异。材料的性能又在很大程度上取决于制备方法。虽然组成选通器件的介质材料范围非常广泛，但是不同材料制备方法也不相同，每种方法都有其使用范围。为了降低制造成本，优化制备工艺，实现低功耗、高速、高密度的选通器件，新的介质材料制备成为了本技术的研究重点。目前，RRAM器件存在着十字交叉阵列中的漏电流问题。由于自限流器件对工艺要求高、影响自身性能，因此提出了串联选通管来抑制反向漏电流的方法。就目前主流的选通管而言，介质材料多为氧化物或硫系化合物，它的制备方法主要为磁控溅射、溶胶—凝胶法以及等离子体氧化等方法。它们存在的缺点是制备工艺复杂可调性差、薄膜与衬底的附着性能差、制备周期、制备成本及制备设备要求高等问题。
技术实现思路
针对现有技术上述存在的问题和缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件及其制备方法，本专利技术首次将新型二维材料Ti3C2-MXene作为功能材料应用于选通器件，提升器件的性能。为了实现本专利技术上述第一个目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件，所述选通器件从下至上依次包括底电极、功能层、顶电极，其中：所述功能层材料为二维Ti3C2-MXene薄膜。进一步地，上述技术方案，所述二维Ti3C2-MXene薄膜采用如下方法制得，包括如下步骤：(1)配制Ti3C2-MXene纳米片胶体溶液按配比将钛铝碳(Ti3AlC2)粉末加入到由盐酸溶液、去离子水和氟化锂(LiF)组成的混合溶液中，室温搅拌均匀后获得混合反应液；然后将所得混合反应液加热至30～40℃，在搅拌条件下恒温反应18～30h，反应结束后，将产物离心、清洗至清洗液为中性，得到Ti3C2-MXene胶体溶液；再将所述Ti3C2-MXene胶体溶液超声处理0.5～2h，得到所述的Ti3C2-MXene纳米片胶体溶液；(2)制备Ti3C2-MXene薄膜将步骤(1)获得的Ti3C2-MXene纳米片胶体溶液滴涂在预处理过的洁净干燥的透明导电基底表面，滴涂结束后，将涂覆有Ti3C2-MXene纳米片胶体溶液的透明导电基底转移至干燥箱中，在60～80℃条件下退火1～3h，得到Ti3C2-MXene薄膜。优选地，上述技术方案，步骤(1)所述钛铝碳与氟化锂的质量比为1：(1～1.5)。优选地，上述技术方案，步骤(1)所述钛铝碳与盐酸的用量比为1质量份：(10～20)体积份，所述质量份和体积份之间是以g：mL作为基准。优选地，上述技术方案，步骤(1)所述盐酸溶液的质量百分浓度为30～40％。进一步地，上述技术方案，所述底电极材料为FTO、ITO、ZTO或AZO中的任一种；所述的顶电极材料为Pt、Au或W中的任一种。进一步地，上述技术方案，所述底电极厚度为100～300nm，所述功能层的厚度500～800nm，所述顶电极的厚度为60～100nm。进一步地，上述技术方案，所述底电极的形状为圆形或矩形，直径或边长为50nm～2cm，优选为1～2cm。进一步地，上述技术方案，所述功能层的形状为圆形或者矩形，直径或边长为50nm～2cm，优选为1～2cm。进一步地，上述技术方案，所述顶电极的形状为圆形或者矩形，直径或边长为100～900μm。本专利技术的另一目的在于提供上述所述的基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)选择带有底电极的衬底，并对所述底电极表面进行预处理；(2)在预处理后的底电极上表面制备Ti3C2-MXene薄膜层；(3)在所述Ti3C2-MXene薄膜上表面制备顶电极。进一步地，上述技术方案，步骤(1)所述预处理具体是先将衬底进行超声清洗、干燥，然后用紫外臭氧处理0.5～2h。进一步地，上述技术方案，步骤(2)所述Ti3C2-MXene薄膜具体是采用滴涂法将Ti3C2-MXene纳米片胶体溶液滴涂在所述底电极上表面然后干燥制得。进一步地，上述技术方案，步骤(3)所述顶电极具体是利用磁控溅射技术制得。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术以Ti3C2-MXene为介质材料制备的选通管器件，非线性值和开态电流密度分别可达41和0.1MA/cm2，具有较高的非线性值和开态电流密度，可以抑制串扰问题。(2)本专利技术Ti3C2-MXene功能层材料制备简单，过程稳定，相比主流的二维材料石墨烯而言，它使用超声机械剥离法，很容易将Ti3C2-MXene剥离成单层；(3)本专利技术采用滴涂法在底电极表面制备Ti3C2-MXene薄膜，成膜简单，容易大面积制备，与衬底材料的附着性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Ti3C2‑MXene薄膜功能层的选通器件，其特征在于：所述选通器件从下至上依次包括底电极、功能层、顶电极，其中：所述功能层材料为二维Ti3C2‑MXene薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件，其特征在于：所述选通器件从下至上依次包括底电极、功能层、顶电极，其中：所述功能层材料为二维Ti3C2-MXene薄膜。2.根据权利要求1所述的基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件，其特征在于：所述二维Ti3C2-MXene薄膜采用如下方法制得，包括如下步骤：(1)配制Ti3C2-MXene纳米片胶体溶液按配比将钛铝碳粉末加入到由盐酸溶液、去离子水和氟化锂组成的混合溶液中，室温搅拌均匀后获得混合反应液；然后将所得混合反应液加热至30～40℃，在搅拌条件下恒温反应18～30h，反应结束后，将产物离心、清洗至清洗液为中性，得到Ti3C2-MXene胶体溶液；再将所述Ti3C2-MXene胶体溶液超声处理0.5～2h，得到所述的Ti3C2-MXene纳米片胶体溶液；(2)制备Ti3C2-MXene薄膜将步骤(1)获得的Ti3C2-MXene纳米片胶体溶液滴涂在预处理过的洁净干燥的透明导电基底表面，滴涂结束后，将涂覆有Ti3C2-MXene纳米片胶体溶液的透明导电基底转移至干燥箱中，在60～80℃条件下退火处理1～3h，得到Ti3C2-MXene薄膜。3.根据权利要求2所述的基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件，其特征在于：步骤(1)所述钛铝碳与氟化锂的质量比为1：(1～1.5)。4.根据权利要求1所述的基于Ti3C2-...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，赵青尧，马国坤，蔡恒梅，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42