一种高分子聚合物为衬底材料实现忆阻器功能的方法技术

一种利用聚酰亚胺(英文名称为：polyimide简称PIs)高分子聚合物分子结实现室温下产生阻变效应，从而实现忆阻器功能的方法，其通过利用电子束曝光系统EBL在旋涂了polyimide(PMDA

【技术实现步骤摘要】
一种高分子聚合物为衬底材料实现忆阻器功能的方法


[0001]本专利技术属于一种利用polyimide(PMDA
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ODA)做基底的具有纳米级间隙的金电极对构型的忆阻器的实现，涉及有机材料、记忆性电子数据存储设备、半导体、集成电路等诸多领域。

技术介绍

[0002]记忆设备在信息的存储与提取技术科技中扮演着重要的作用，随着记忆存储设备的发展，具有速度快、大容量数据存储、低功耗、维持数据时间长、成本低、结构简单的记忆设备越来越受到人们的关注。目前大多数的记忆设备都是基于硅、镓、锗等无机半导体材料制备。根据摩尔定律的发展，以硅基等无机材料制备的记忆存储设备已经遭遇到了理论和实际应用的极限，发展下一代的记忆设备变得尤为紧迫。有机材料因为其本身制造简单、低成本、灵活性等优点用来代替硅基等无机材料成为下一代制备记忆材料而受到人们越来越多的关注。聚合物有希望成为下一代记忆材料，其中聚酰亚胺因其内部特性和卓越的电学及光学特性已经被相关课题组用来作为记忆材料。在对聚酰亚胺作为记忆材料的研究中，相关课题组发现三苯胺(TPA)基团能够增强电子的传输性能，因此相关带有TPA基团的聚酰亚胺(PIs)引起了人们的关注：带有TPA基团的PI(TP6F)和PI(PYTPA)展现出了动态随机存取存储器(DRAM)的特性，带有TPA的PI(6F
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2TPA)同时展现了一次写入多次读取存储器(WORM)和DRAM的特性，带有TPA基团的PI(6F
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HAB
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TPAIE)则具有闪存记忆的特性。这里我们采用不含TPA的聚酰亚胺作为基底材料(PMDA
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ODA型PIs)，结合微纳加工手段，获得了纳米尺度厚的金纳米颗粒与PIs的混合层，实现了忆阻器功能。我们的方法有望实现高性能的集成化存储功能。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种新型的在室温下实现由金属原子导电细丝效应引起的具有阻变效应的忆阻器方法，该方法的结构及形成阻变的条件简单明了。即在旋涂了polyimide(PMDA
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ODA)高分子聚合物的硅片上，利用电子束曝光系统制作出一间距为2nm
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5nm的电极对，在较小的偏压扫描下即可实现室温下的负微分电阻(NDR)的效应。
[0004]本专利技术实现负微分电阻的方案如下所示：
[0005]该方法所用结构由一层硅基底、一层PMDA
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ODA高分子聚合物、电子束曝光系统制作的金纳米电极对构成。
[0006]上述利用PMDA
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ODA高分子聚合物形成的分子结实现负微分电阻的方法，其竖直方向(厚度方向)结构为硅基底加PMDA
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ODA高分子聚合物层加金纳米电极对形成的三明治结构层。在利用丙酮、酒精清洗干净的硅片上通过旋涂、加热烘干的方式形成了一层2μm厚的PMDA
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ODA高分子聚合物层，然后再利用电子束曝光系统经过一系列光刻过程在PMDA
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ODA高分子聚合物层上制作出一对纳米间距约为2nm
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5nm的电极对。然后对该电极对进行电压扫描并记录其电流值。
[0007]本专利技术的优点在于：
[0008]该方法试验装置结构简单，原理清晰明了，便于实现。其次产生的负微分电阻效应稳定，是首次在PMDA
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ODA高分子聚合物中发现负微分电阻效应，对于研究PMDA
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ODA高分子在实际集成电路中的应用具有一定指导意义。
附图说明
[0009]为了使本专利技术的目的和技术方案更加清楚，下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细描述：
[0010]图1为利用PMDA
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ODA高分子聚合物实现室温下构成忆阻器方法的三维示意图；
[0011]图2为利用PMDA
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ODA高分子聚合物实现室温下构成忆阻器方法的二维前视图
[0012]图3为实验过程中产生阻变现象的电流
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电压曲线图
[0013]图中：1是硅Si基底，厚度为1mm；2是PMDA
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ODA高分子聚合物涂层，厚度为2μm；3是利用电子束曝光系统EBL制作的金纳米电极；4代表的是金纳米间隙，间隙大小为2nm
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5nm；5是半导体设备分析仪的电路图；
具体实施方式
[0014]下面我们将根据附图进行对在室温下忆阻器的实现方法作详细说明；
[0015]图一：将尺寸(44mm*12mm*1mm)的硅片(1)依次经过丙酮、乙醇、去离子水分别清洗10分钟共半小时的清洗。清洗干净之后利用匀胶机将事先配置好的polyimide高分子聚合物(Poly(pyromellitic dianhydride
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co
‑
4,4
′‑
oxydianiline)：N
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Methylpyrrolidone(nmp)质量比5:1),其简称为：PMDA
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ODA，均匀旋涂在硅片上，经烤胶机烘烤(180℃/2h)之后形成一层厚度约为2μm的PMDA
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ODA高分子聚合物层(2)。利用电子束曝光系统在PMDA
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ODA高分子聚合物表面曝光上纳米间隙为2nm
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5nm的金电极对，后经过显影定影、等离子体镀膜机镀膜、丙酮去胶等一系列步骤之后成功的在PMDA
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ODA表面制作上厚度为50nm的金电极对(3)。圆圈(4)代表的是金纳米电极对之间形成的纳米间隙，经扫描电子显微镜可以发现纳米间隙约为2nm
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5nm。而后在半导体测量系统(5)的电压扫描下可以在室温、大气环境下实现阻变效应，即在正偏压的扫描下在金纳米电极对下方的PMDA
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ODA层中形成导电细丝通道从而使电流发生跳变形成低阻态LRS，在负偏压下由于导电细丝断裂使电流发生负微分电阻效应(NDR)形成高阻态HRS。
[0016]图2为室温下忆阻器实现方法的金
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polyimide高分子聚合物
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金分子结结构的二维前视图，其进一步展现了NDR效应的实现原理。
[0017]图3为在旋涂了聚酰亚胺的硅片上的亚纳米间隙金电极对施加偏压扫描时的I
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V特性曲线以及产生阻变效应的原理示意图；图中箭头和数字表明了偏压扫描的方向和顺序(即扫描过程)，当偏压扫描到A点时(NDR)对应扫描过程2，由于聚酰亚胺表面形成了金颗粒的导电通道(图中右上角的原理示意插图)导致电流发生突变从而使纳米间隙金电极对处于低阻态。当偏压扫描到B点时(对应过程4)，由于聚酰亚胺表面的金颗粒导电通道的断裂(图中右下角的原理示意插图)造成剧烈的NDR效应出现从而使纳米间隙金电极对处于高阻态。
[0018]虽然结合目前所做实验描述本专利技术，不过本专利技术不限于所公开本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种polyimide(PMDA
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ODA)高分子聚合物分子结的室温下忆阻器实现方法，其特征在于：利用电子束曝光系统制作金纳米电极对构成的金
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polyimide(PMDA
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ODA)高分子聚合物
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金的分子结结构实现构成忆阻器的基本原理
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阻变现象。2.根据权利1所描述的室温下忆阻器实现方法，其特征在于：硅、(PMDA
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ODA)高分子聚合物、金纳米电极对所构成的竖直方向三明治结构以及金
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(PMDA
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ODA)高分子聚合物
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金形成的水平方向的纳米分子结。3.根据权利1所描述的室温下忆阻器实现方法，其特征在于：制作金纳米电极对时采用离子溅射沉积的方式使(PMDA
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ODA)高分子聚合物层上方混杂金颗粒使(PMDA
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ODA)高分子聚合物层具备一定导电性且从而导致阻变现象的产生。4.根据权利1所描述的室温下忆阻器实现方法，其特征在于：采用电子束曝光系统制作蝶型金纳米电极对，且金纳米电极对间距为2nm
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5nm。5.根据权利1所描述的室温下忆阻器实现方法，其特征在于：NDR行...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭斌，向东，赵智宾，张素荣，谭敏，赵雪妍，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：