CN105185901A - 一种基于二硫化钼的复合阻变存储器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二硫化钼的复合阻变存储器件，包括顶电极、底电极和位于顶、底电极之间的活性层；所述的顶电极为Al，厚度为80nm；底电极为ITO导电玻璃；活性层为质量比为1:1的二硫化钼和聚偏氟乙烯的混合物(MoS2-PVDF)，厚度为30nm。本发明的优点和积极效果是：该器件的活性层通过悬涂法获得，避免了CVD方法的复杂工艺以及高额的成本，并且聚偏氟乙烯促进了二硫化钼在乙醇中的分散性，效率高且制作成本低；该器件开关比在10³以上，开关电压2V，器件性能优异。

Description

一种基于二硫化钼的复合阻变存储器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及合阻变存储器件的制备，特别是一种基于二硫化钼的复合阻变存储器件及其制备方法。

背景技术

为了满足现代信息科学技术的日益发展的需求，存储器件应向着更优良的性质研制开发，例如功能尺寸更小、读写速度更快、存储密度更高以及制备工艺更简单等。目前，基于传统半导体的硅基电存储器虽然因其存储速度快和信息维持时间长等优点倍受青睐，但也存在许多缺点：较大的功能尺寸、复杂的制备工艺、偏高生产成本等。21世纪是信息化时代，它的特点之一就是存储空间的巨大化，为了满足这一特点，越来越多的科研单位将研发目标转向新兴的电存储技术，从而克服了制程微缩这一日益严峻的挑战，这些新兴的电存储技术主要包括：铁电存储器(FeRAM)、磁随机存储器(MRAM)、相变存储器(PCM)和阻变存储器(RRAM)。

复合阻变存储器件作为一种新型存储技术,其与传统无机材料存储器相比,具有存储密度高、响应时间快、制备工艺简单、形态容易控制、低功耗以及低成本等优点,在信息存储和逻辑电路等领域有着诱人的应用前景。

由于阻变存储器其具有典型的“三明治”结构，因此，夹在电极中间的活性层起到至关重要的作用，2003年,Kim等人报道了Al/ZnO/Au结构的无机阻变存储器件，其开关比为10³，开关电压在7V左右，随后，科研人员对氧化锌纳米晶材料表面进行修饰，但由于氧化锌自身的宽紧带缺陷，其性能提高有限；2010年，人们把目光聚焦于以二维石墨烯纳米片为基础碳基材料上，Yang等人报道了Au/Graphene/Au结构的有机阻变存储器件，开关电压为3V，但器件的开关比不到10，由于二维材料的制备工艺日渐成熟，二维类石墨烯金属硫化物、硒化物逐渐进入人们的视野。

二硫化钼俗称“辉钼”，其具有优良的光电性能广受人们追捧，目前主要应用于光催化、场效应晶体管、太阳能电池等领域，由于量子尺寸效应，二维二硫化钼有更高的比表面，更重要的是，由于二维二硫化钼某一维度的减小，其能带因此发生变化，由原来的1.2eV增加到1.9eV，但是二硫化钼能带小，由其单纯作为器件的活性层，虽然能够获得较小的开关电压，但是开关比极低，因此找到与其能带匹配的材料作为电子阻挡层极其重要。

目前被人们公认的评价阻变存储器件的性能指标包括以下几个部分:

1)开关电压-对存储器器件而言，过大的开关电压一方面使得存储器器件本身损耗大，而且过大的电压意味着过大的功率；

2)响应速度-响应速度被定义为器件写入或擦除所需要的最短时间，目前占市场主导地位的闪存存储器的写入/擦除时间仍在微秒至毫秒的等级。对阻变存储器件而言，操作速度大体在几十到几百纳秒；

3)开关比-开关比是指器件高阻态电阻与低阻态电阻的比值.开关比的大小影响数据判读的准确性，如果开关比过小，将无法从外围电路中准确地判读数据；

4)耐久性-在每次进行高低阻态之间的相互转变时，阻变存储器件都会有一定的损伤。耐久性，有时被称作疲劳特性，指阻变存储器件所能够发生转变的周期数。

因此，获得低开关电压，高开关比的器件是本发明拟解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种基于二硫化钼的复合阻变存储器件及其制备方法，其通过简单的悬涂在器件内部形成活性层，提高效率，制作成本低。

本发明的技术方案：

一种基于二硫化钼的复合阻变存储器件，包括顶电极、底电极和位于顶、底电极之间的活性层；所述的顶电极为Al，厚度为80nm；底电极为ITO导电玻璃；活性层为质量比为1:1的二硫化钼和聚偏氟乙烯的混合物(MoS2-PVDF)，厚度为30nm。

一种所述基于二硫化钼的复合阻变存储器件的制备方法，包括以下步骤：

1)采用3cm×3cm的ITO导电玻璃作为复合阻变存储器件的基底，将ITO导电玻璃中心1cm×1cm区域保留，其余部分用浓度为10wt％的盐酸溶液腐蚀10min，然后依次用洗涤灵、去离子水、丙酮和异丙醇溶液在超声清洗机中清洗；

2)用匀胶机在整块ITO导电玻璃上旋涂活性层溶液，并在真空度-0.7Bar、温度为80℃下干燥，匀胶机转速分别为2000rpm；

3)重复步骤2)3次；

4)通过热蒸发法在活性层上制备铝电极。

所述活性层溶液制备方法，步骤如下：

1)将二硫化钼均匀分散在无水乙醇溶液中，室温下，在超声机内超声3h，得到二硫化钼分散液，二硫化钼与无水乙醇溶液的用量比为5mg：5mL；

2)将聚偏氟乙烯(PVDF)溶于无水乙醇溶液中，磁力搅拌4h，得到聚偏氟乙烯-乙醇溶液，聚偏氟乙烯与无水乙醇溶液的用量比为10mg：10mL；

3)将聚偏氟乙烯-乙醇溶液以25滴/min的滴加速率逐滴加入二硫化钼分散液中，待全部滴入后，8000r下离心5min，收集上层清液，重复离心两次，合并上层清液；

4)将上述上层清液置于真空度-0.8Bar环境内，放置24h，制得活性层溶液。

众所周知，二硫化钼难溶于水及有机溶剂，经典的三明治结构阻变器件通常采用CVD法制备二硫化钼活性层，但是CVD方法成本高，工艺复杂，而旋涂法必工艺简单成本低廉，但其要求成膜物质需要分散在溶剂中，因此，选用一种合适的物质促进二硫化钼在溶剂中的分散性是一大难题，本专利选用PVDF来促进二硫化钼在乙醇溶液中的分散性的理由如下：1)PVDF无毒，对环境友好；2)PVDF是双亲性材料，既亲水又亲油，选用PVDF包覆MoS2，可以提高MoS2在溶剂中的分散性，并且获得的PVDF-MoS2能稳定分散在酒精中；3)PVDF还是树枝状结构，能够很好的包覆二维片状材料。4)从器件结构考虑PVDF有很高的能带差，能够作为电子的注入势垒。

本发明的优点和积极效果是：该器件的活性层通过悬涂法获得，避免了CVD方法的复杂工艺以及高额的成本，并且聚偏氟乙烯促进了二硫化钼在乙醇中的分散性，效率高且制作成本低；该器件开关比在10⁴以上，开关电压2V，器件性能优异。

附图说明

图1是本发明器件结构的示意图。

图2是MoS₂的AFM(原子力显微镜)图。

图3是MoS₂-PVDF的AFM图。

图4是MoS₂的TEM(透射电子显微镜)图。

图5是MoS₂的SEM(扫描电子显微镜)图。

图6是本发明器件在对数坐标下的I-V特性曲线图。

图7是本发明器件的I-t曲线图。

具体实施方式

实施例：

一种基于二硫化钼的复合阻变存储器件，如图1所示，包括顶电极、底电极和位于顶、底电极之间的活性层；所述的顶电极为Al，厚度为80nm；底电极为ITO导电玻璃；活性层为质量比为1:1的二硫化钼和聚偏氟乙烯的混合物(MoS2-PVDF)，厚度为30nm。

所述基于二硫化钼的复合阻变存储器件的制备方法，包括以下步骤：

1)采用3cm×3cm的ITO导电玻璃作为复合阻变存储器件的基底，将ITO导电玻璃中心1cm×1cm区域保留，其余部分用浓度为10wt％的盐酸溶液腐蚀10min，然后依次用洗涤灵、去离子水、丙酮和异丙醇溶液在超声清洗机中清洗；

2)用匀胶机在整块ITO导电玻璃上旋涂活性层溶液，并在真空度-0.7Bar、温度为80℃下干燥，匀胶机转速分别为2000rpm；

3)重复步骤2)3次；

4)通过热蒸发法在活性层上制备铝电极。

上述步骤2)3)中活性层溶液的制备方法，步骤如下：

1)将5mg二硫化钼均匀分散在5mL无水乙醇溶液中，室温下，在超声机内超声3h，得到二硫化钼分散液；

2)将10mg聚偏氟乙烯(PVDF)溶于10mL无水乙醇溶液中，磁力搅拌4h，得到聚偏氟乙烯-乙醇溶液，聚偏氟乙烯与无水乙醇溶液的用量比为1mg：10mL；

3)将聚偏氟乙烯-乙醇溶液以25滴/min的滴加速率逐滴加入二硫化钼分散液中，待全部滴入后，8000r下离心5min，收集上层清液，重复离心两次，合并上层清液；

4)将上述上层清液置于真空度-0.8Bar的真空箱内内，放置24h，制得活性层溶液。

图2是MoS₂的AFM(原子力显微镜)图；图3是MoS₂-PVDF的AFM图。图中显示：PVDF很好的分散在MoS₂上。

图4是MoS₂的TEM(透射电子显微镜)图；图5是MoS₂的SEM(扫描电子显微镜)图。图中显示：二硫化钼形态为六角形。

阻变存储器件的原理是：由于外界电压的不同刺激，器件的电阻发生变化，因此，定义高阻态为“OFF”态，低阻态为“ON”。器件的“ON”态和“OFF”态分别对应信息存储的“1”和“0”，施加不同的扫描电压，使器件在ON态和OFF态之间不断转化，从而实现了器件对信息的存储。

本实施例阻变存储器件的IV测试和It测试：

所使用的半导体测试设备为KEITHLEY2400，Al做阴极，ITO做阳极；图6是器件的IV性能测试的对数曲线，根据图6中器件的应用电压方向，对电流变化情况进行详细叙述，当扫描电压从0V开始负向连续增加，可以清楚的看到初始电流是低电流，在0至-3V之间，器件电流随电压的增大而增加，当扫描电压超过-2V时，电流骤然增大，由原来的10^-8增大到10^-5，此时，器件由“OFF”态转变为“ON”态，这一过程器件的电流降低了大约3个数量级；随后，对器件施加-3V-0V的扫描电压，器件仍保持在“ON”态；然后，对器件施加正向0V-3V扫描电压，当电压为2V时，器件的电流骤然下降，由原来的10^-5减小到10^-8，器件由“ON”态转变为“OFF”态；最后，对器件施加3V-0V的扫描电压，器件仍保持“OFF”态。

图7是器件的It性能测试图，将器件施加-2V电压刺激，随后，用0.5V的电压读取电流，再对器件施加2V电压刺激，0.5V的电压读取电流，两次0.5V电压下的通电时间均为10000s。

以上对本发明创造的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种基于二硫化钼的复合阻变存储器件，其特征在于：包括顶电极、底电极和位于顶、底电极之间的活性层；所述的顶电极为Al，厚度为80nm；底电极为ITO导电玻璃；活性层为质量比为1:1的二硫化钼和聚偏氟乙烯的混合物(MoS2-PVDF)，厚度为30nm。

2.一种如权利要求1所述基于二硫化钼的复合阻变存储器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用3cm×3cm的ITO导电玻璃作为复合阻变存储器件的基底，将ITO导电玻璃中心1cm×1cm区域保留，其余部分用浓度为10wt％的盐酸溶液腐蚀10min，然后依次用洗涤灵、去离子水、丙酮和异丙醇溶液在超声清洗机中清洗；

2)用匀胶机在整块ITO导电玻璃上旋涂活性层溶液，并在真空度-0.7Bar、温度为80℃下干燥，匀胶机转速分别为2000rpm；

3)重复步骤2)3次；

4)通过热蒸发法在活性层上制备铝电极。

3.根据权利要求2所述基于二硫化钼的复合阻变存储器件的制备方法，其特征在于：所述活性层溶液制备方法，步骤如下：

1)将二硫化钼均匀分散在无水乙醇溶液中，室温下，在超声机内超声3h，得到二硫化钼分散液，二硫化钼与无水乙醇溶液的用量比为5mg：5mL；

2)将聚偏氟乙烯(PVDF)溶于无水乙醇溶液中，磁力搅拌4h，得到聚偏氟乙烯-乙醇溶液，聚偏氟乙烯与无水乙醇溶液的用量比为10mg：10mL；

3)将聚偏氟乙烯-乙醇溶液以25滴/min的滴加速率逐滴加入二硫化钼分散液中，待全部滴入后，8000r下离心5min，收集上层清液，重复离心两次，合并上层清液；

4)将上述上层清液置于真空度-0.8Bar环境内，放置24h，制得活性层溶液。