一种具有极性记忆效应的有机电双稳薄膜及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种具有极性记忆效应的有机电双稳薄膜及其应用。该薄膜为有机分子材料ＳＣＮ和金属Ｍ的复合膜，Ｍ可为Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｔｉ等。该薄膜具有良好的电双稳态特性，并具有极性记忆效应，稳定性高、性能优良，可用于制作电存贮器和过压保护器等分子器件。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种具有极性记忆效应的有机电双稳薄膜及其应用本专利技术涉及一种具有极性记忆效应的有机电双稳薄膜及其应用。有机电双稳材料可用于制作开关和存贮器，在微电子器件和分子电子器件方面具有广泛的应用前景。这种材料通常由两种不同类型的物质，即电子施主和电子受主复合而成。它们可以是金属有机络合物([1]Potember R S,Hoffman RC,Poehler T W.Johns Hopkins APL Tech Dig,1986,7:129；[2]Hua Z Y,Chen G R.Vacuum,1992,43:1019；[3]Sakai S,Matsuda H,Kawada H,Eguchi K,Nakagiri T.Appl Phys Lett,1988,53:1274；[4]Watanabe N,Iwasa Y,Koda T.Phys Rev1991,B44:111.),也可以是全有机络合物([5]Xu W,Chen G R,Li R J,Hua Z Y.Appl phys Lett,1995,67:2241.)。这些材料的优点是作用体积小、容易获得、价格低廉，但在大气下的工作温度一般不能维持在110C以上，因此其温度稳定性还有进一步提高的必要。此外，这些材料缺乏单向驱动的极性记忆效应，限制了其应用。本专利技术的目的在于提出一种具有高稳定性和良好电双稳态特性，且具有单向驱动的极性记忆效应的薄膜材料，并提出该薄膜材料的应用。本专利技术提出的具有极性记忆效应的有机电双稳薄膜是一种金属有机络合物复合膜，即由有机分子材料SCN和金属M复合而成。这里的有机分子材料SCN的化合物名称为3,9-双(二氰基亚甲基)-2,4,8,10-四硫杂螺[5,5]十一烷，英文名称为3,9-di(dicyanomethylene)-2,4,8,10-tetrathiaspiro[5,]undecane,简称为SCN，其分子式为C13H8N4S4，化学结构式为：              SCN的粉末样品呈浅黄色，熔点超过300℃，高温下能够在大气环境中长时间保持稳定。这里的金属M可以是铜(Cu)、银(Ag)、镁(Mg)、钛(Ti)等。本专利技术提出由金属M和有机分子材料SCN构成的薄膜具有良好的电双稳-->态特性，并具有极性记忆效应。热稳定性的、性能优良。上述复合膜可以采用真空蒸发法制备，具体步骤如下：在洁净平整的固体基底表面上用真空蒸镀法蒸一层金属M(例如Cu,Ag等)膜作为底电极，然后再蒸一层SCN膜，再在SCN膜表面蒸上Al斑点，作为顶电极，得到器件的原形，如图1所示。也可以按相反次序来制作，即先在基底上蒸Al膜，再蒸SCN膜，最后蒸发M膜。这里金属膜厚度可以蒸得较大。基底可以有多种，比如载玻片、石英片、云母片以及各种聚合物薄膜或薄片。基底材料必须是电绝缘体，表面平整。对本专利技术薄膜进行电双稳特性测试和极性记忆效应测试，结果如下：(1)电双稳特性测试在指定的顶电极和底电极间串联一个限流电阻(1.1KΩ)，利用函数发生器(HP33120A)产生10V的方波脉冲，来测量薄膜的电特性。当二电极之间的电压在6V左右时，薄膜即从高阻态转变成低阻态，高阻到低阻的跃迁时间小于20纳秒，见图2。薄膜的电性能与电极的正负性无关。如果不加能量，低阻态维持不变，即薄膜的电性能不会随时间发生变化。热处理不会影响薄膜的电性能。(2)极性记忆效应测试在一定的条件下(控制基底温度、蒸发源温度、蒸发速率及电极的结构和形态)，这种薄膜能够形成类似p-n结的Cu-SCN-Al多层结构。和通常条件下制得的薄膜相比，这种薄膜具有明显不同的电性能，并发现其电双稳特性和电极的极性有关。如果铝斑加正偏压，铜电极加负偏压，在10伏电压作用下，用500微秒宽的脉冲或更宽的脉冲作用多次后，薄膜始终保持高阻状态，没有发生从高阻态到低阻态的转变，见图3(a)。如果将电极的极性反接，在8-10V的电压作用下，这种薄膜就会从高阻转变成低阻，见图3(b)。但是，和图2相比，要实现这种转变需要相对较高的电压和较长的弛豫时间，整个过程需要几十微秒或更长。电双稳特性和电极的极性有关，说明这种薄膜具有极性记忆效应([6]Sato C,Wakamatsu S,Tadokoro K,Ishii K.J.Appl Phys 1990,68:6535.)SCN作为一种分子电子材料，其合成成本和TCNQ相当，但稳定性比TCNQ好。由于这种分子具有螺环结构，分子较难自发堆叠，因此容易形成无定形薄-->膜，这样薄膜的性能就不会因为自发结晶而导致性能不稳定。用SCN代替TCNQ制作器件时，可以采用较厚的铜膜或银膜等，过量的金属并不会产生自发导通而影响薄膜的性能，多余的金属还可以用作电极，无需另外制作底电极，有利于简化工艺条件。由SCN和金属构成的电双稳薄膜M-SCN，稳定性高，性能优良。因此，有多种用途，比如：用于制作电存贮器[2]和过电压保护器([7]华中一，陈殿勇，蒋益明，莫晓亮，彭建军，陈国荣，潘星龙，章壮健仪器仪表学报，2000,21:557。)等分子器件。(1)电存贮器的制作电存贮器可参考文献[2]中的交叉线结构来制作。先在基板上制作M(如Cu)平行直线族(X轴方向)，然后蒸一层SCN薄膜，再在SCN薄膜上制作Al平行直线族(Y轴方向)。这两种金属的平行线成正交状态，每一X轴方向和Y轴方向的交叉点即为一个存贮单元(见图4)。由于M-SCN-Al结构本身具有单向导通特性，因此，不会出现文献[2]中由于构成电流回路而产生的误读现象。这样就不必额外制作肖特基结，因此大大简化了制作工艺。直线族的周期可以为1微米，这样1平方厘米可存贮100兆位。如果线宽能进一步缩小，存贮密度还可以进一步提高。(2)过电压保护器的制作过电压保护器可参考文献[7]的方法来制作。这种器件的结构与交叉线电存贮器的结构类似，但是X方向和Y方向的引线端分别用金属线连通，见图5。利用大量的并联结点的电双稳特性可使使用安全度(电压超载时短路)达到100％。用SCN来制作过电压保护器有二种类型，可以根据具体情况和实际需要选择其中的一种。第一种类型的保护器，采用通常的工艺来制作M-SCN电双稳薄膜，这种薄膜转变速度极快，因此可以制成超快速、高可靠过电压保护器。由于没有极性记忆效应，对过电压的保护没有方向性。另一种类型的保护器，类似p-n结的夹层结构。由于这种结构具有极性记忆效应，即只能被单向导通，这样就可以对某一方向的过电压进行保护，具有电压方向选择性，类似二极管，但是响应速度比前一种保护器慢。-->本专利技术提出了一种使用高稳定性有机分子材料SCN和某些金属M构成的电双稳薄膜M-SCN。在几伏电压作用下，薄膜从高阻态向低阻态转变，转变时间小于20纳秒。这种电双稳薄膜的热稳定性非常好，并且不易结晶，制作工艺也较简单，因此容易取得实际应用。这种材料在一定的工艺条件下能够与铝和其它金属形成金属-有机-金属(MOM)结，其电性能具有极性记忆效应，即只能被单向驱动，且性能稳定并可重复。这种材料有广泛的用途，比如可用于制作电存贮器和过电压保护器等。附图说明：图1为薄膜器件示意图。图2为Cu-SCN薄膜的电双稳性质，其中图2(a)为I-U曲线，图2(b)为U-t曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有极性记忆效应的有机电双稳薄膜，其特征在于它由有机分子材料ＳＣＮ和金属Ｍ经真空蒸发复合而成，这里ＳＣＮ的分子式为Ｃ↓［１３］Ｈ↓［１８］Ｎ↓［４］Ｓ↓［４］，Ｍ为Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｔｉ之一种。

【技术特征摘要】
1、一种具有极性记忆效应的有机电双稳薄膜，其特征在于它由有机分子材料SCN和金属M经真空蒸发复合而成，这里SCN的分子式为C13H18N4S4，M为Cu、Ag、Mg、Ti之一种。2、一种使用权利要求1所述的有机电双稳薄膜的电存器，其特征在于先在基板上制作有一层X轴方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟，夏燚，华中一，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]