基于二维金属材料及其氧化物的忆阻器、制备和性能调控方法与应用技术

本发明专利技术公开基于二维金属材料及其氧化物的忆阻器、制备和性能调控方法与应用。所述方法包括：在衬底层上制备下电极；在所述下电极上制备二维金属材料层，通过氧气退火制得二维金属材料其氧化物的介质层；采用与制备下电极相同方法制备上电极，使上电极层与下电极层在竖直方向上的投影相互交叠得到基于二维金属材料及其氧化物的忆阻器。此外还提供了通过调控氧化退火时间控制忆阻器性能的方法，并制备对应的忆阻器。本发明专利技术得到的忆阻器体积小、性能可控，利于集成，可以应用于新型储存器件、人造突触、模拟电路、人工智能计算机等方面。人工智能计算机等方面。人工智能计算机等方面。

【技术实现步骤摘要】
基于二维金属材料及其氧化物的忆阻器、制备和性能调控方法与应用


[0001]本专利技术属于先进电子元器件设计与制造领域，特别涉及一种基于二维金属材料及其氧化物的忆阻器、制备和应用与性能调控方法。

技术介绍

[0002]作为不同于电阻器、电感器以及电容器的第四种电学元器件，忆阻器的概念在1971年被Professor Leon Chua首次提出。忆阻器的电阻可随通过的电荷量的累积而变化，具有结构简单，集成度高，能耗低，储存信息非易失等优点，具有广泛的应用前景可被用于新型储存器件或人造突触等领域。
[0003]起初，对忆阻器的研究主要集中于三维材料构建的器件，它们多是基于金属氧化物如(HfO2,TiO2,ZnO)或者可降解有机材料。它们虽然可以实现忆阻器的基本性能，但是却任然存在很多的缺点，如：(1)很难进行小型化，无法提高集成度；(2)需要forming过程(第一次导通需要加一个比开启电压大近一个数量级的电压)以及较高的开启电压，能耗较高。二维材料的出现很好的解决了这些问题。
[0004]虽然基于二维材料的忆阻器可以较好的小型化，有较低的能耗，但是忆阻器的性能只能通过改变忆阻器的材料组成进行调节，无法将不同性能的忆阻器以统一的制备工艺集成在同一个芯片上，这就对忆阻器的大规模制造以及应用产生了阻碍。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于二维金属材料及其氧化物的忆阻器、制备和应用与性能调控方法，以克服现有技术中的不足。
[0006]按照本专利技术的第一方面，提供了一种基于二维金属性材料及其氧化物的忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：将衬底层上旋涂光刻胶，经过前烘、激光直写曝光、显影后得到长方形的下电极层图形；
[0008]步骤2：在步骤1中得到的显影之后的带有下电极层图形的衬底层上进行金属沉积得到带有下电极的衬底层，沉积方法包括但不限于磁控溅射、热蒸发镀膜、电子束蒸发镀膜；沉积得到的金属层厚度为40
‑
80nm，优选为50
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70nm；
[0009]步骤3：将块体二维金属性材料放置在用于机械剥离的蓝胶带上，将胶带沿块体边缘对折之后展开，如此进行4
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8次，之后将胶带粘在聚二甲基硅氧烷基底表面，撕开胶带，得到附着在聚二甲基硅氧烷上的表面干净的二维金属性材料的薄层材料；
[0010]步骤4：在手套箱中将步骤3所得到的二维金属性材料的薄层材料利用聚二甲基硅氧烷辅助干转方法转移到步骤2所得到的带下电极的基底上；
[0011]步骤5：将步骤4中所得的样品放入RTP快速退火炉中在氧气环境下进行退火，形成二维金属材料氧化层，退火温度范围为 250
‑
350℃，优选为290
‑
310℃；
[0012]步骤6：采用步骤1与步骤2相同的方法制作上电极层，然后使上电极层与下电极层在竖直方向上的投影相互交叠。
[0013]优选地，步骤1所述衬底层使用前经过如下预处理：将衬底层放入丙酮溶液中超声5分钟，之后将基片放入异丙醇中浸泡2 分钟，取出，用氮气枪吹干，所述衬底层的厚度为260
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300nm，优选为270
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290nm，所述衬底层为高介电材料，所述高介电材料包括但不仅限于刚性的玻璃衬底、Si/SiO2衬底，以及柔性的聚酰亚胺。
[0014]优选地，步骤1所述旋涂光刻胶的过程需满足：前转500转/ 分钟，后转4000转/分钟，前烘300秒。
[0015]优选地，所述二维金属性材料为可机械剥离或者液态解离的金属性范徳华材料，包括但不限于Fe3GeTe2和NbS2。
[0016]优选地，所述二维金属性材料及其氧化层的总厚度为 20
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40nm，优选为30nm。
[0017]优选地，通过金属沉积所得的上电极层与下电极层均为可导电金属层，沉积金属材料包括但不仅限于金、钛、铜、铝、银，优选为铜，所述上电极层与下电极层的平均厚度均为60nm。
[0018]优选地，所述上电极层与下电极层在垂直方向上的投影相互重叠，重叠区域面积3
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8μm2，优选为5μm2；所述上电极长度方向与下电极长度方向相互垂直。
[0019]优选地，步骤4中所述手套箱内水蒸气含量与氧气含量均小于10ppm。
[0020]优选地，步骤5所述退火包括但不仅限于放置于空气中自然氧化以及氧气退火氧化，其中氧气退火氧化的温度范围 250
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350℃，优选为300℃。
[0021]按照本专利技术的另一方面，提供了所述基于二维金属性材料及其氧化物的忆阻器的性能调控方法，其特征在于，通过控制所述基于二维金属性材料及其氧化物的忆阻器制备过程中的退火时间来控制二维金属性材料与二维金属性材料氧化物的厚度比例，从而调节所述基于二维金属性材料及其氧化物的忆阻器的开关比。
[0022]优选地，所述控制退火时间为1
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50min。
[0023]按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于二维金属材料及其氧化物的忆阻器，所述忆阻器包括自上而下依次设置的上电极层、介电层、下电极层和衬底层，所述介电层包括二维金属性材料层和二维金属性材料氧化物层。
[0024]按照本专利技术的另一方面，提供了所述基于二维金属性材料及其氧化物的忆阻器用于新型储存器件、人造突触、模拟电路、人工智能计算机方面的应用。
[0025]与现有技术相比，本专利技术系统具有以下优点：
[0026](1)在同一个材料体系下，通过调整对二维金属性材料的氧化时间，可以控制二维金属性材料层与其氧化物层的厚度比，进而控制所制作的忆阻器的开关比和开启电压，实现忆阻器性能的可调控。
[0027](2)采用二维材料进行忆阻器的制作，大大缩小了器件的尺寸。
[0028](3)可用同一套工艺流程制作不同性能的忆阻器器件，显著降低了在同一芯片上集成多个不同性能忆阻器的难度。
附图说明
[0029]图1是实施例1所制备的忆阻器的结构示意图；
[0030]图2是实施例1所制备的忆阻器的电流
‑
电压特性曲线图；
[0031]图3是实施例1所制备的忆阻器的疲劳性测试结果图；
[0032]图4是实施例2所制备的忆阻器的电流
‑
电压特性曲线图；
[0033]图5是实施例3所制备的忆阻器的电流
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电压特性曲线图；
[0034]图6是实施例4所制备的忆阻器的电流
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电压特性曲线图；
[0035]图7是实施例5所制备的忆阻器的电流
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电压特性曲线图；
[0036]图8是实施例1～5中不同忆阻器件性开关比与置位电压随退火时间的变化示意图。
具体实施方式
[0037]下文将结合具体实施例对本专利技术的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于二维金属性材料及其氧化物的忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将衬底层上旋涂光刻胶，经过前烘、激光直写曝光、显影后得到长方形的下电极层图形；步骤2：在步骤1中得到的显影之后的带有下电极层图形的衬底层上进行金属沉积得到带有下电极的衬底层，沉积方法包括但不限于磁控溅射、热蒸发镀膜、电子束蒸发镀膜；沉积得到的金属层厚度为40
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80nm，优选为50
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70nm；步骤3：将块体二维金属性材料放置在用于机械剥离的蓝胶带上，将胶带沿块体边缘对折之后展开，如此进行4
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8次，之后将胶带粘在聚二甲基硅氧烷基底表面，撕开胶带，得到附着在聚二甲基硅氧烷上的表面干净的二维金属性材料的薄层材料；步骤4：在手套箱中将步骤3所得到的二维金属性材料的薄层材料利用聚二甲基硅氧烷辅助干转方法转移到步骤2所得到的带下电极的基底上，所述手套箱内水蒸气含量与氧气含量均小于10ppm；步骤5：将步骤4中所得的样品放入RTP快速退火炉中在氧气环境下进行退火，形成二维金属材料氧化层，退火温度范围为250
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350℃，优选为290
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310℃，所述退火包括但不仅限于放置于空气中自然氧化以及氧气退火氧化，其中氧气退火氧化的温度范围250
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350℃，优选为300℃；步骤6：采用步骤1与步骤2相同的方法制作上电极层，然后使上电极层与下电极层在竖直方向上的投影相互交叠。2.根据权利要求1所述的基于二维金属性材料及其氧化物的忆阻器的制备方法，其特征在于，所述二维金属性材料为可机械剥离或者液态解离的金属性范徳华材料，包括但不限于Fe3GeTe2和NbS2，所述二维金属性材料及其氧化层的总厚度为20
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40nm，优选为30nm。3.根据权利要求2所述的基于二维金属性材料及其氧化物的忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤1所述衬底层为高介电材料，所述高介电材料包括但不仅限于刚性的玻璃衬底、Si/SiO2衬底，以及柔性的聚酰亚胺，优选的所述衬底层...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾翔宇，汪小知，李梦露，刘雨露，王浩彬，
申请(专利权)人：海宁市产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：