一种单层纳米薄膜忆阻器及其制备方法技术

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种忆阻器及其制备方法，尤其涉及，属于非线性电路应用领域。
技术介绍
早在1971年，国际非线性电路和细胞神经网络理论先驱，美国加州大学伯克利分校的Leon Chua(蔡少棠)基于电路理论逻辑上的完整性，从理论上预言电路中除了电阻、电容、电感外的第四个基本元件一忆阻器的存在。2008年5月，惠普实验室的研究人员成功实现了世界上首个能工作的忆阻器原型，从而证实了 Leon Chua有关忆阻器的学说，引起了世界范围内的强烈关注。由于忆阻器具有非易失性、突触功能和纳米尺度结构，在高密度非易失性存储器、人工神经网络、大规模集成电路、可重构逻辑和可编程逻辑、生物工程、模式识别、信号处理等领域具有巨大的应用前景，将为制造存储精度无限、超高存储密度的非易失性存储设备、具有能够调节神经元突触权的人工神经网络和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等的发展铺平道路，给计算机的制造和运行方式带来革命性变革。作为一种新的基本电路元件，忆阻器的出现增加了电路元件的多样化，为电路理论研究和电路设计提供了一种全新的发展空间。随着HP忆阻器的发现，国际上一些从事阻性存储研究的科研机构和学者也相继开展了有关实物忆阻器方面的研究，不断有新的忆阻材料以及忆阻体系报道。目前的研究从实现忆阻性能的机理上，可分为基于边界迁移模型，基于电子自旋阻塞模型，基于相变机制，基于丝导电机制等。目前国内对忆阻器的研究还比较少，已有研究中大多侧重于忆阻电路与系统的研究。尽管近年来忆阻器研究取得了较大的进展，但我们也要看到，作为一个基本的电路元件来说，忆阻器研究才刚刚起步，主要表现在以下几个方面:( I)近年来不断有新的忆阻材料及忆阻体系报道，但目前物理实现的忆阻器模型还很少且相对单一，尚无统一的普适模型对忆阻器行为进行描述。近年来报道的实物忆阻器大都是针对某类应用或模拟某种功能，如高密度非易失性存储器、Crossbar Latch (交叉点阵逻辑门)技术、模拟神经突触，而提出的。其大多采用与HP忆阻器相类似的开关模型和工作机理，且制作工艺复杂、成本高，对于研究忆阻器特性、忆阻电路理论以及电子电路设计等不具有一般性和普适性。(2)目前尚未实现商业化生产。大多数研究者难以获得一个真正的忆阻器元件，致使很多研究者在研究忆阻器和忆阻电路时，因为缺乏忆阻器元件而无法开展真正物理意义上的硬件实验，更多的是依靠仿真或模拟电路来进行实验研究。然而，忆阻器仿真模型和模拟电路离实际的忆阻器特性相差甚远，用模拟电路进行的硬件实现更多考虑的也是模拟忆阻器数学模型而忽略了忆阻器的本质物理特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种特别适用于一般电路理论研究和电路设计、具有一般性和普适性、价格低廉且易于物理实现的单层膜忆阻器。本专利技术为解决上述技术问题采用的技术方案是，一种单层纳米薄膜忆阻器，包括两个电极及置于二者之间的Ca(1_x)SrxTi03_s纳米薄膜，其中，0〈χ〈1，0〈 δ〈3。说明:式中，δ表示氧缺陷即氧空位的含量。上述技术方案产生的技术效果是，基于Ca(1_x)SrxTi03_s材料的忆阻器,其工作机理和数学模型新颖，并且更具一般性和普适性。作为优选，上述薄膜为单层薄膜结构，厚度为20-900纳米。上述优选技术方案直接产生的技术效果是，基于新模型的单层膜忆阻器，其纳米薄膜的形态稳定性好，且相对于双层膜乃至多层膜的忆阻器，其结构和制作工艺简单、成本低、便于产业化生产。进一步优选，上述Ca(l-x)SrxTi03_s的制备原料及配方组成为摩尔比(l_x)CaCO3: XSrCO3: TiO3，其中，0〈χ〈1 ;所述Ca (l_x) SrxTi03_s的制备方法，包括下述步骤:第I步，将CaCO3, SrCO3和TiO3混合，加入去离子水或无水乙醇，球磨，然后烘干，得到混合料；第2步，采用质量分数为5?20%的聚乙烯醇溶液作为粘结剂，粘结剂的加入量为待造粒混合料质量分数的5?15%,造粒,过40目筛；第3步,将造粒过筛后的混合料利用压片机压制成直径为20?150mm,高度为2?50mm的圆片；第4步，将压片后的样品在900?1300°C下烧结15?240min，随炉冷却至室温。上述优选技术方案直接产生的技术效果是，制备出的用作忆阻器靶材的关键部件之一的Ca (1-x) SrxTiCVs陶瓷材料，其制备工艺简单、烧结温度低、制备原料易于取得且成本低。相应地，采用上述优选技术方案，可有效降低终端产品单层纳米薄膜忆阻器的制造成本。进一步优选，上述单层纳米薄膜忆阻器，其特征在于，以在偏压下产生的空穴和电离氧离子为载流子，在电场作用下依靠所述空穴和所述电离氧离子产生量的变化实现器件电阻的变化。上述优选技术方案直接产生的技术效果是，以在偏压下产生的空穴和电离氧离子为载流子，在电场作用下依靠所述空穴和所述电离氧离子产生量的变化实现器件电阻的变化的单层纳米薄膜忆阻器，其性能更稳定。综上所述，本专利技术的单层纳米薄膜忆阻器具有以下有益效果:其工作机理和数学模型新颖，并且更具一般性和普适性；其结构和制作工艺简单、成本低、便于产业化生产；以在偏压下产生的空穴和电离氧离子为载流子，在电场作用下依靠所述空穴和所述电离氧离子产生量的变化实现器件电阻的变化的单层纳米薄膜忆阻器，其性能更稳定。本专利技术的目的之二是，提供一种纳米薄膜忆阻器的制备方法。本专利技术为实现上述目的采用的技术方案是，一种纳米薄膜忆阻器的制备方法，包括如下步骤:第一步，以Ca(1-X) SrxTi03_s作靶材，采用磁控溅射方法在Pt/Ti02/Si02/Si衬底上镀膜，镀膜的厚度为20~900nm，再经700-800°C热处理10_30min ；第二步,在Ca (1-x) SrxTi03_s纳米薄膜上镀上一层电极。上述技术方案带来的有益效果是，制备出的Ca(1_x)SrxTi03_s纳米薄膜在经过700-800°C热处理10-30min后，既保证了凝胶膜致密烧结的效率和质量，又避免温度过低和保温时间过短薄膜不够致密，或者温度过高和保温时间过长造成薄膜及电极的损坏变形。而且，所选取的Pt/Ti02/Si02/Si衬底为已经商业化生产的市售产品，其获取途径简便。作为优选，上述电极厚度为50nm-50um,所述电极材料为Au、Ag、In-Ga或Pt。为更好地理解本专利技术，下面结合忆阻器相关理论从原理上进行详细说明。本专利技术的基于Ca(1_x)SrxTi03_s纳米薄膜的忆阻器，其忆阻机理和数学模型具体为:该忆阻器由被夹于两个电极之间的单层Ca(1_x)SrxTi03_s纳米薄膜构成。当一个电压或电流加到该器件上时，由于薄膜厚度为纳米级，很小的电压就会产生巨大的电场，Ca(1_x)SrxTi03_s与空气接触的表面在偏压作用下会与空气中的氧发生02+4e_ — 202-反应，而使薄膜内产生空穴。同时，在薄膜内部受偏压作用影响发生02_ —e_+0_，空穴及电离氧离子(0_)作为主要载流子在电场作用下定向移动，随着空穴及电离氧离子(0_)产生量的变化会导致两电极之间的电阻变化，与之对应薄膜呈现最小(Rmin)或最大(Rmax)两种不同的电阻，此即为Ca(1_x)SrxTi03_s展现忆阻特性的机理。现用0(t)表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单层纳米薄膜忆阻器，其特征在于，包括两个电极及置于两个电极之间的富含氧空位的Ca(1?x)SrxTiO3?δ纳米薄膜，其中，0

【技术特征摘要】
1.一种单层纳米薄膜忆阻器，其特征在于，包括两个电极及置于两个电极之间的富含氧空位的Ca(1-X) SrxTi03_S纳米薄膜，其中，0〈χ〈1，0〈 δ〈3。2.根据权利要求1所述的单层纳米薄膜忆阻器，其特征在于，所述Ca(1-χ) SrxTi03_s纳米薄膜为单层薄膜结构，厚度为20-900纳米。3.根据权利要求1或2所述的单层纳米薄膜忆阻器，其特征在于，以在偏压下产生的空穴和电离氧离子为载流子，在电场作用下依靠所述空穴和所述电离氧离子产生量的变化实现器件电阻的变化。4.根据权利要求1、2或3所述的单层纳米薄膜忆阻器，其特征在于，所述Ca(1-X)SrxTiO的制备原料及配方组成为摩尔比(1-X)CaCO3: x SrCO3: TiO3，其中，0〈χ〈1 ;所述Ca(l-x) SrxTi03_s的制备方法,包括下述步骤: 第I步:将CaCO3, SrCO3和TiO3混合，加入去离子水或无水乙醇，球磨，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭梅，李玉霞，窦刚，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：