一種單層納米薄膜憶阻器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單層納米薄膜憶阻器及其制備方法，其中，單層納米薄膜憶阻器，包括兩個電極及置于兩個電極之間的富含氧空位的Ca(1-x)SrxTiO3-δ納米薄膜，其中，0<x<1，0<δ<3；上述納米薄膜為單層膜，厚度為20-900納米。本發(fā)明的單層納米薄膜憶阻器特別適用于一般電路理論研究和電路設計、具有一般性和普適性。本發(fā)明還公開了一種單層納米薄膜憶阻器的制備方法，其以Ca(1-x)SrxTiO3-δ作靶材，采用磁控濺射方法在Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上鍍膜，鍍膜的厚度為20～900nm，再經(jīng)700-800℃熱處理10-30min；再在Ca(1-x)SrxTiO3-δ納米薄膜上鍍上一層電極；電極厚度為50nm-50um，電極材料為Au、Ag、In-Ga或Pt。該制備方法具有工藝簡單、靶材燒結(jié)溫度低、制備原料易于取得、成本低等技術(shù)特點。
【專利說明】一種單層納米薄膜憶阻器及其制備方法【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種憶阻器及其制備方法，尤其涉及一種單層納米薄膜憶阻器及其制備方法，屬于非線性電路應用領域。
【背景技術(shù)】
[0002]早在1971年，國際非線性電路和細胞神經(jīng)網(wǎng)絡理論先驅(qū)，美國加州大學伯克利分校的Leon Chua(蔡少棠)基于電路理論邏輯上的完整性，從理論上預言電路中除了電阻、電容、電感外的第四個基本元件一憶阻器的存在。2008年5月，惠普實驗室的研究人員成功實現(xiàn)了世界上首個能工作的憶阻器原型，從而證實了 Leon Chua有關憶阻器的學說，引起了世界范圍內(nèi)的強烈關注。
[0003]由于憶阻器具有非易失性、突觸功能和納米尺度結(jié)構(gòu)，在高密度非易失性存儲器、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、大規(guī)模集成電路、可重構(gòu)邏輯和可編程邏輯、生物工程、模式識別、信號處理等領域具有巨大的應用前景，將為制造存儲精度無限、超高存儲密度的非易失性存儲設備、具有能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)元突觸權(quán)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡和類似人類大腦方式處理與聯(lián)系信息的模擬式計算機等的發(fā)展鋪平道路，給計算機的制造和運行方式帶來革命性變革。作為一種新的基本電路元件，憶阻器的出現(xiàn)增加了電路元件的多樣化，為電路理論研究和電路設計提供了一種全新的發(fā)展空間。
[0004]隨著HP憶阻器的發(fā)現(xiàn)，國際上一些從事阻性存儲研究的科研機構(gòu)和學者也相繼開展了有關實物憶阻器方面的研究，不斷有新的憶阻材料以及憶阻體系報道。目前的研究從實現(xiàn)憶阻性能的機理上，可分為基于邊界遷移模型，基于電子自旋阻塞模型，基于相變機制，基于絲導電機制等。目前國內(nèi)對憶阻器的研究還比較少，已有研究中大多側(cè)重于憶阻電路與系統(tǒng)的研究。盡管近年來憶阻器研究取得了較大的進展，但我們也要看到，作為一個基本的電路元件來說，憶阻器研究才剛剛起步，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
[0005]( I)近年來不斷有新的憶阻材料及憶阻體系報道，但目前物理實現(xiàn)的憶阻器模型還很少且相對單一，尚無統(tǒng)一的普適模型對憶阻器行為進行描述。
[0006]近年來報道的實物憶阻器大都是針對某類應用或模擬某種功能，如高密度非易失性存儲器、Crossbar Latch (交叉點陣邏輯門)技術(shù)、模擬神經(jīng)突觸，而提出的。其大多采用與HP憶阻器相類似的開關模型和工作機理，且制作工藝復雜、成本高，對于研究憶阻器特性、憶阻電路理論以及電子電路設計等不具有一般性和普適性。
[0007](2)目前尚未實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。大多數(shù)研究者難以獲得一個真正的憶阻器元件，致使很多研究者在研究憶阻器和憶阻電路時，因為缺乏憶阻器元件而無法開展真正物理意義上的硬件實驗，更多的是依靠仿真或模擬電路來進行實驗研究。然而，憶阻器仿真模型和模擬電路離實際的憶阻器特性相差甚遠，用模擬電路進行的硬件實現(xiàn)更多考慮的也是模擬憶阻器數(shù)學模型而忽略了憶阻器的本質(zhì)物理特性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的是，提供一種特別適用于一般電路理論研究和電路設計、具有一般性和普適性、價格低廉且易于物理實現(xiàn)的單層膜憶阻器。
[0009]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，一種單層納米薄膜憶阻器，包括兩個電極及置于二者之間的Ca(1_x)SrxTi03_s納米薄膜，其中，0〈χ〈1，0〈 δ〈3。說明:式中，δ表示氧缺陷即氧空位的含量。
[0010]上述技術(shù)方案產(chǎn)生的技術(shù)效果是，基于Ca(1_x)SrxTi03_s材料的憶阻器,其工作機理和數(shù)學模型新穎，并且更具一般性和普適性。
[0011]作為優(yōu)選，上述薄膜為單層薄膜結(jié)構(gòu)，厚度為20-900納米。
[0012]上述優(yōu)選技術(shù)方案直接產(chǎn)生的技術(shù)效果是，基于新模型的單層膜憶阻器，其納米薄膜的形態(tài)穩(wěn)定性好，且相對于雙層膜乃至多層膜的憶阻器，其結(jié)構(gòu)和制作工藝簡單、成本低、便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0013]進一步優(yōu)選，上述Ca(l-x)SrxTi03_s的制備原料及配方組成為摩爾比(l_x)CaCO3: XSrCO3: TiO3，其中，0〈χ〈1 ;所述Ca (l_x) SrxTi03_s的制備方法，包括下述步驟:
[0014]第I步，將CaCO3, SrCO3和TiO3混合，加入去離子水或無水乙醇，球磨，然后烘干，得到混合料；
[0015]第2步，采用質(zhì)量分數(shù)為5?20%的聚乙烯醇溶液作為粘結(jié)劑，粘結(jié)劑的加入量為待造?；旌狭腺|(zhì)量分數(shù)的5?15%,造粒,過40目篩；
[0016]第3步,將造粒過篩后的混合料利用壓片機壓制成直徑為20?150mm,高度為2?50mm的圓片；
[0017]第4步，將壓片后的樣品在900?1300°C下燒結(jié)15?240min，隨爐冷卻至室溫。
[0018]上述優(yōu)選技術(shù)方案直接產(chǎn)生的技術(shù)效果是，制備出的用作憶阻器靶材的關鍵部件之一的Ca (1-x) SrxTiCVs陶瓷材料，其制備工藝簡單、燒結(jié)溫度低、制備原料易于取得且成本低。相應地，采用上述優(yōu)選技術(shù)方案，可有效降低終端產(chǎn)品單層納米薄膜憶阻器的制造成本。
[0019]進一步優(yōu)選，上述單層納米薄膜憶阻器，其特征在于，以在偏壓下產(chǎn)生的空穴和電離氧離子為載流子，在電場作用下依靠所述空穴和所述電離氧離子產(chǎn)生量的變化實現(xiàn)器件電阻的變化。
[0020]上述優(yōu)選技術(shù)方案直接產(chǎn)生的技術(shù)效果是，以在偏壓下產(chǎn)生的空穴和電離氧離子為載流子，在電場作用下依靠所述空穴和所述電離氧離子產(chǎn)生量的變化實現(xiàn)器件電阻的變化的單層納米薄膜憶阻器，其性能更穩(wěn)定。
[0021]綜上所述，本發(fā)明的單層納米薄膜憶阻器具有以下有益效果:
[0022]其工作機理和數(shù)學模型新穎，并且更具一般性和普適性；
[0023]其結(jié)構(gòu)和制作工藝簡單、成本低、便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；
[0024]以在偏壓下產(chǎn)生的空穴和電離氧離子為載流子，在電場作用下依靠所述空穴和所述電離氧離子產(chǎn)生量的變化實現(xiàn)器件電阻的變化的單層納米薄膜憶阻器，其性能更穩(wěn)定。
[0025]本發(fā)明的目的之二是，提供一種納米薄膜憶阻器的制備方法。
[0026]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是，一種納米薄膜憶阻器的制備方法，包括如下步驟:
[0027]第一步，以Ca(1-X) SrxTi03_s作靶材，采用磁控濺射方法在Pt/Ti02/Si02/Si襯底上鍍膜，鍍膜的厚度為20~900nm，再經(jīng)700-800°C熱處理10_30min ；
[0028]第二步,在Ca (1-x) SrxTi03_s納米薄膜上鍍上一層電極。
[0029]上述技術(shù)方案帶來的有益效果是，制備出的Ca(1_x)SrxTi03_s納米薄膜在經(jīng)過700-800°C熱處理10-30min后，既保證了凝膠膜致密燒結(jié)的效率和質(zhì)量，又避免溫度過低和保溫時間過短薄膜不夠致密，或者溫度過高和保溫時間過長造成薄膜及電極的損壞變形。而且，所選取的Pt/Ti02/Si02/Si襯底為已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的市售產(chǎn)品，其獲取途徑簡便。
[0030]作為優(yōu)選，上述電極厚度為50nm-50um,所述電極材料為Au、Ag、In-Ga或Pt。
[0031]為更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合憶阻器相關理論從原理上進行詳細說明。
[0032]本發(fā)明的基于Ca(1_x)SrxTi03_s納米薄膜的憶阻器，其憶阻機理和數(shù)學模型具體為:
[0033]該憶阻器由被夾于兩個電極之間的單層Ca(1_x)SrxTi03_s納米薄膜構(gòu)成。當一個電壓或電流加到該器件上時，由于薄膜厚度為納米級，很小的電壓就會產(chǎn)生巨大的電場，Ca(1_x)SrxTi03_s與空氣接觸的表面在偏壓作用下會與空氣中的氧發(fā)生02+4e_ — 202-反應，而使薄膜內(nèi)產(chǎn)生空穴。同時，在薄膜內(nèi)部受偏壓作用影響發(fā)生02_ —e_+0_，空穴及電離氧離子(0_)作為主要載流子在電場作用下定向移動，隨著空穴及電離氧離子(0_)產(chǎn)生量的變化會導致兩電極之間的電阻變化，與之對應薄膜呈現(xiàn)最小(Rmin)或最大(Rmax)兩種不同的電阻，此即為Ca(1_x)SrxTi03_s展現(xiàn)憶阻特性的機理?，F(xiàn)用0(t)表示某一時刻Ca(1_x)SrxTi03_s在偏壓作用下產(chǎn)生的空穴量，M表示偏壓作用下產(chǎn)生的最大空穴量，V表示偏壓作用下產(chǎn)生空穴的速率。由于空穴及電離氧離子(0_)的產(chǎn)生量與通過它的電流大小及其持續(xù)時間(即
電荷積累)有關:
【權(quán)利要求】
1.一種單層納米薄膜憶阻器，其特征在于，包括兩個電極及置于兩個電極之間的富含氧空位的Ca(1-X) SrxTi03_S納米薄膜，其中，0〈χ〈1，0〈 δ〈3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層納米薄膜憶阻器，其特征在于，所述Ca(1-χ) SrxTi03_s納米薄膜為單層薄膜結(jié)構(gòu)，厚度為20-900納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單層納米薄膜憶阻器，其特征在于，以在偏壓下產(chǎn)生的空穴和電離氧離子為載流子，在電場作用下依靠所述空穴和所述電離氧離子產(chǎn)生量的變化實現(xiàn)器件電阻的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的單層納米薄膜憶阻器，其特征在于，所述Ca(1-X)SrxTiO"的制備原料及配方組成為摩爾比(1-X)CaCO3: x SrCO3: TiO3，其中，0〈χ〈1 ;所述Ca(l-x) SrxTi03_s的制備方法,包括下述步驟: 第I步:將CaCO3, SrCO3和TiO3混合，加入去離子水或無水乙醇，球磨，然后烘干，得到混合料； 第2步:采用質(zhì)量分數(shù)為5?20%的聚乙烯醇溶液作為粘結(jié)劑，粘結(jié)劑的加入量為待造?；旌狭腺|(zhì)量分數(shù)的5?15%,造粒,過40目篩； 第3步:將造粒過篩后的混合料利用壓片機壓制成直徑為20?150mm,高度為2?50mm的圓片； 第4步:將壓片后的樣品在900?1300°C下燒結(jié)15?240min，隨爐冷卻至室溫。
5.如權(quán)利要求1所述的納米薄膜憶阻器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步，以Ca (1-x) SrxTi03_s作靶材，采用磁控濺射方法在Pt/Ti02/Si02/Si襯底上鍍膜，鍍膜的厚度為20?900nm，再經(jīng)700-800°C熱處理10_30min ； 第二步，在Ca(l_x)SrxTi03_s納米薄膜上鍍上一層電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米薄膜憶阻器的制備方法，其特征在于，所述電極厚度為50nm-50um,所述電極材料為Au、Ag、In-Ga或Pt。
【文檔編號】H01L45/00GK103594620SQ201310540846
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】郭梅, 李玉霞, 竇剛 申請人:山東科技大學