一种表面工程改性二维碳化钛忆阻器及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于二进制数据存储技术领域，具体涉及一种表面工程改性二维碳化钛忆阻器及其制备和应用。该表面工程改性二维碳化钛忆阻器，包括导电基底层、金属电极层以及设置在所述导电基底层与金属电极层之间的功能薄膜层；所述功能薄膜层包括改性二维碳化钛层和设置在所述改性二维碳化钛层两侧表面的氧化石墨烯层，所述改性二维碳化钛层为天青石蓝改性二维碳化钛层。本发明专利技术通过表面工程修饰解决了二维碳化钛类金属导电性问题，扩宽了其在数据存储领域的应用；采用叠层结构的策略解决了单层结构二维碳化钛忆阻器的性能不稳定的问题，有望应用于存储领域。望应用于存储领域。望应用于存储领域。

【技术实现步骤摘要】
一种表面工程改性二维碳化钛忆阻器及其制备和应用


[0001]本专利技术属于二进制数据存储
，具体涉及一种表面工程改性二维碳化钛忆阻器及其制备和应用。

技术介绍

[0002]传统的闪存设备难以满足未来人工智能时代对信息存储技术的要求，忆阻器由于其结构简单、可扩展性好以及存算一体的潜力，引起了学术界和工业界的极大兴趣，能够满足超高密度信息存储的需求。忆阻器通常由金属/绝缘体/金属(MIM)三层结构组成，表现出电阻切换行为，从而实现数据写入和存储。由于其工作电压低、开关速度快、优异的耐久性以及与传统互补金属氧化物半导体的兼容性，忆阻器正成为下一代可扩展的非易失性存储技术。
[0003]二维纳米材料因其独特的结构和光电性能，相比三维体材料具有显著的优势。它们的平面结构赋予了其与传统晶圆半导体技术出色的兼容性。近年来，二维纳米材料在纳米电子器件领域取得了很大的进展。二维碳化钛(MXenes)是一种由过渡金属碳化物组成的具有多个原子层的二维(2D)纳米材料。但是由于其具有类似金属导电性的电导率，限制了它在半导体电子器件领域的发展。近年来，MXene不同的蚀刻方法使得其表面末端含有不同的官能团，这为进一步修饰MXene纳米片提供了机会，使其在电子忆阻器领域应用成为可能。近年来，研究人员开发了许多结构和形貌可控的无机
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有机杂化材料，在各个领域得到了广泛的应用。首先，基于MXene表面工程改性在非易失性电阻随机存储器(RRAM)的研究报道较少。为了进一步扩宽MXene在信息存储领域的应用，急需新材料来修饰二维碳化钛(Ti3C2T
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MXene)，改变其带隙，使其能够应用于电子领域。其次，目前大多数二维忆阻器被广泛认为是离子迁移型，通常采用活性金属(如银和铜)作为电极，常常导致金属离子的不可控迁移和金属导电细丝的杂乱生长，从而降低器件性能的稳定性，甚至会引发器件的退化和故障。以上这些问题对实现二维忆阻器的高性能存储提出了巨大的挑战。因此，迫切需要提出一种有效的策略来制备具有稳定双稳态开关和可控离子迁移的二维忆阻器。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种表面工程改性二维碳化钛忆阻器的制备方法和及其应用，以实现高性能存储。
[0005]按照本专利技术的技术方案，所述表面工程改性二维碳化钛忆阻器，包括导电基底层、金属电极层以及设置在所述导电基底层与金属电极层之间的功能薄膜层；所述功能薄膜层包括改性二维碳化钛层和设置在所述改性二维碳化钛层两侧表面的氧化石墨烯层，所述改性二维碳化钛层为天青石蓝改性二维碳化钛层。
[0006]本专利技术采用具有共轭骨架和强非共价相互作用的离子型染料天青石蓝来修饰二维碳化钛，将其作为存储器件的功能层，器件表现出双稳态的存储行为，该存储器具有超低工作电压，长保留时间，典型的双稳态电开关等特点；采用叠层结构，相比于单层结构显著
增加了其可擦写性，避免了被修饰的二维碳化钛在循环电压扫描下可擦写稳定性不高，所导致的应用限制问题。
[0007]进一步的，所述导电基底层的材质为氧化铟锡、铂、金等惰性金属或其他导电材料；导电基底层可以设置于玻璃基底表面。
[0008]进一步的，所述金属电极层为金属电极阵列，金属电极层的材质为银、铜等活性金属。
[0009]本专利技术的第二方面提供了上述表面工程改性二维碳化钛忆阻器的制备方法，包括以下步骤，
[0010]S1：在导电基底层表面涂布氧化石墨烯悬浮液，真空干燥形成第一氧化石墨烯层；
[0011]S2：在所述第一氧化石墨烯层表面涂布二维碳化钛和天青石蓝的混合液，真空干燥形成改性二维碳化钛层；
[0012]S3：在所述改性二维碳化钛层表面涂布氧化石墨烯悬浮液，真空干燥形成第二氧化石墨烯层；
[0013]S4：在第二氧化石墨烯层表面溅射形成金属电极层，得到所述表面工程改性二维碳化钛忆阻器。
[0014]本专利技术制备方法简单、可重复性高，所得到的忆阻器结构遵循导电基底/三层功能薄膜/电极的叠层结构，其中三层功能薄膜即为氧化石墨烯/表面工程改性二维碳化钛/氧化石墨烯叠层结构。
[0015]进一步的，所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.8～1.2mg/mL。
[0016]进一步的，所述氧化石墨烯悬浮液由氧化石墨烯分散在水中配成，分散方式可以为超声分散1～3h。
[0017]进一步的，所述二维碳化钛和天青石蓝的混合液中，二维碳化钛和天青石蓝的质量比为20:1～1:10；具体的，可以为20:1、10:1、5:1、1:1、1:5、1:10或其中任意两个比值形成的范围；优选的，质量比为10:1～1:5；进一步优选为5:1～1:5。
[0018]进一步的，所述二维碳化钛和天青石蓝的混合液中，二维碳化钛的浓度为0.1～0.3mg/mL。
[0019]具体的，所述二维碳化钛和天青石蓝的混合液，可以由浓度为0.5mg/mL的二维碳化钛水溶液与浓度为0.05～10mg/mL的天青石蓝水溶液，按体积比1:1混合得到。
[0020]进一步的，所述二维碳化钛钛由碳化铝粉末与氢氟酸溶液反应制得。
[0021]进一步的，所述步骤S1
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S3中，涂布的方式均为旋涂。
[0022]进一步的，所述旋涂的参数为：先于400～600rpm的转速下旋涂5～10s，再于1000～1500rpm的转速下旋涂15～25s；形成厚度为100～300nm的第一氧化石墨烯层、改性二维碳化钛层或第二氧化石墨烯层。
[0023]进一步的，所述步骤S1
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S3中，真空干燥的温度为60～80℃，时间为1～3h。
[0024]进一步的，所述步骤S4中，通过磁控溅射仪溅射金属电极层，借助掩膜板溅射到第二氧化石墨烯层表面，溅射腔体内压强不高于10
‑6mbar，溅射速率为3～4nm/min。
[0025]本专利技术的第三方面提供了一种数据存储装置，包括上述表面工程改性二维碳化钛忆阻器。
[0026]本专利技术的技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0027]1、本专利技术通过表面工程修饰解决了二维碳化钛类金属导电性问题，扩宽了其在数据存储领域的应用；具体采用天青石蓝修饰二维碳化钛，使得器件展现出较高的电阻态开关比；
[0028]2、本专利技术器件采用叠层结构的策略解决了单层结构二维碳化钛忆阻器的性能不稳定的问题，有望应用于存储领域；具体的，在改性二维碳化钛顶底两侧引入的氧化石墨烯层，氧化石墨烯/改性后二维碳化钛/氧化石墨烯三层功能层结构能够有效地充当缓冲层，从而在器件运行期间内控制导电细丝的有序形成，使得该忆阻器表现出稳定可靠的可擦写特性。
附图说明
[0029]图1为本专利技术二维碳化钛溶液和天青石蓝溶液制备流程图。
[0030]图2为本专利技术前驱体钛碳化铝制备二维碳化钛的(a)拉曼图(Raman)和(b)X射线衍射图(XRD)。
[0031]图3为本专利技术二维碳化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面工程改性二维碳化钛忆阻器，其特征在于，包括导电基底层、金属电极层以及设置在所述导电基底层与金属电极层之间的功能薄膜层；所述功能薄膜层包括改性二维碳化钛层和设置在所述改性二维碳化钛层两侧表面的氧化石墨烯层，所述改性二维碳化钛层为天青石蓝改性二维碳化钛层。2.如权利要求1所述的表面工程改性二维碳化钛忆阻器，其特征在于，所述金属电极层为金属电极阵列。3.一种权利要求1或2所述的表面工程改性二维碳化钛忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，S1：在导电基底层表面涂布氧化石墨烯悬浮液，真空干燥形成第一氧化石墨烯层；S2：在所述第一氧化石墨烯层表面涂布二维碳化钛和天青石蓝的混合液，真空干燥形成改性二维碳化钛层；S3：在所述改性二维碳化钛层表面涂布氧化石墨烯悬浮液，真空干燥形成第二氧化石墨烯层；S4：在第二氧化石墨烯层表面溅射形成金属电极层，得到所述表面工程改性二维碳化钛忆阻器。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.8～1.2mg/mL。5.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳，张程，凌松涛，马春兰，徐峥，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：