一种黑磷-二维电子气异质结忆阻器及其制备方法与流程

一种黑磷
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二维电子气异质结忆阻器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及电子器件技术领域，具体涉及一种黑磷
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二维电子气异质结忆阻器及其制备方法。


背景技术：

2.忆阻器表示磁通与电荷关系的电路器件，作为除电阻、电容、电感等元件之外的第四个基本元件，最早于1971年，由加州大学伯克利分校教授蔡少棠根据电路的对称性预言存在，在2008年由惠普公司研造成功。忆阻器具有尺寸小、多组态开关、开关速度快、开关次数高以及良好的cmos兼容性等优异特性，在未来存储和类神经元计算等方面展现出巨大潜能。
3.目前，不同材料、工作机理的忆阻器被广泛研究，涵盖了多种材料类型，主要包括二元氧化物、钙钛矿型复杂氧化物、硫化物、固体电解质、有机聚合物材料等，且忆阻器的机理复杂，包含离子效应、电子效应、热效应等，离子效应是通过电场下离子的聚集，输运和化学反应引起的电子传导的变化；电子效应是由电荷陷阱，注入以及转移使得能带结构和势垒发生变化；而热效应是通过升温和降温使得材料在晶态和非晶态之间转换，进而引得电阻的转换。随着对忆阻器的研究不断深入，更多功能优异的忆阻器及新的机理有待被发现。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种黑磷
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二维电子气异质结忆阻器及其制备方法，本发明制备的黑磷
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二维电子器异质结的内建电势可被外界施加的激发电压调控，在黑磷和二维电子气的界面处表现出铁电特性。由该异质结构筑的忆阻器可通过控制外加电压调节电阻，且其电阻表现出非易失性的变化，在106秒内保持稳定。
5.本发明第一方面提供了一种黑磷
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二维电子气异质结忆阻器，其结构从下至上依次为钛酸锶衬底、二维异质结、金属电极、保护层及导线；所述二维异质结由二维黑磷薄片及二维电子气构成，所述二维黑磷薄片为异质结的p端，所述二维电子气为异质结的n端；所述二维黑磷薄片与所述二维电子气的界面处具有铁电特性；所述二维电子气由离子束轰击钛酸锶衬底得到；所述金属电极部分覆盖在二维黑磷薄片表面，所述金属电极与二维电子气区域无接触；所述导线穿过保护层连接金属电极及二维电子气所在的衬底表面。
6.进一步地，二维电子气作为异质结的n端的同时还作为忆阻器的电极。
7.进一步地，所述金属电极为所述金属电极的材料为金、银、铜中的一种。
8.进一步地，所述保护层材料优选为聚甲基丙烯酸甲酯或聚醋酸乙烯酯。
9.进一步地，所述保护层的厚度为0.2
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10μm。
10.通过在器件表面涂覆一层保护层将黑磷与外界阻隔，避免黑磷被氧化成黑磷氧化物，保护层的厚度需控制在一定范围内，过薄则阻隔效果较差，若过厚会性影响导线与金属薄膜和二维电子气所在的衬底表面的键合。
11.进一步地，所述二维黑磷薄片的厚度为30
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60nm。
12.本发明第二方面提供了第一方面所述的一种黑磷
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二维电子气异质结忆阻器的制备方法，包括以下步骤：
13.(1)利用机械剥离法减薄黑磷，将二维黑磷薄片转移至钛酸锶衬底的上表面；
14.(2)在二维黑磷薄片及衬底上表面涂覆光刻胶，进行第一次局部光刻，光刻结束后，对光刻区域进行磁控溅射制备金属薄膜，溅射结束后，去除光刻胶；
15.(3)在金属薄膜、二维黑磷薄片及衬底的上表面涂覆一层光刻胶，进行第二次局部光刻，光刻结束后，对光刻区域进行离子束轰击，在轰击部位的衬底表面形成所述二维电子气，轰击结束后，去除光刻胶；
16.(4)在整体器件的上表面涂覆保护层，固化后在金属薄膜及二维电子气所在的衬底表面焊接导线，得到所述黑磷
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二维电子气异质结忆阻器。
17.进一步地，所述第一局部光刻区域覆盖二维黑磷薄片表面面积的1/4～2/3；所述第二局部光刻区域覆盖二维黑磷薄片表面面积的1/4～2/3；第一局部光刻区域与第二局部光刻区域不相交。
18.进一步地，步骤(1)中，所述机械剥离法减薄黑磷的具体操作为：将黑磷块体材料置于胶带上，进行3
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5次黏贴剥离，获得二维黑磷薄片。
19.进一步地，步骤(2)中，采用直流磁控溅射或射频磁控溅射制备金属薄膜；所述直流磁控溅射的功率为150w，溅射的时间为3～5min；所述射频磁控溅射的功率为160w，溅射的时间为1～4min。
20.进一步地，步骤(3)中，离子束轰击的具体操作为：采用氩离子束在200～400v的轰击电压下，对光刻区域轰击5～15min。
21.单晶钛酸锶作为衬底的同时还是二维电子气的来源，氩离子束轰击到钛酸锶衬底表面，使衬底中的氧原子获得大于其逸出功的动能，从而脱离衬底，在衬底被轰击区域留下大量氧空位，形成高导电纳米通道，该导电通道即为二维电子气。
22.进一步地，步骤(4)中，焊接导线的具体操作为：通过点焊针在保护层上施加压力，将导线穿透保护层压至金属薄膜及二维电极气所在的衬底表面。
23.本发明的有益效果至少有以下几点：
24.1.本发明首次将黑磷和在钛酸锶表面制备的二维电子气相结合构成异质结，黑磷与二维电子气均非铁电材料，但在异质结的界面处表现出显著的铁电性。
25.2.本发明公开的一种黑磷
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二维电子气异质结忆阻器利用异质结界面的铁电性，通过外加电场改变异质结的电极化强度，使耗尽区内的载流子浓度发生改变，从而改变异质结的内建电势，进而实现异质结的电阻值发生非易失性改变。此外，该忆阻器的结构简单、制备工艺简便，可在200
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300k的温度区间内正常工作，其电阻可被刺激电压调控，调控范围高达3个数量级，并在106s内保持稳定。
附图说明
26.图1为黑磷
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二维电子气异质结忆阻器的结构示意图(未画保护层)；
27.图2为黑磷
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二维电子气异质结忆阻器的内建电势
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激发电压的迟滞回线图；
28.图3为黑磷
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二维电子气异质结忆阻器的电流
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电压迟滞回线图；
29.图4为黑磷
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二维电子气异质结忆阻器在200k和300k温度下电阻随激发电压调控
的曲线，其测量电压分别为0.5v和0.2v。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
33.实施例
34.通过下述步骤制备本实施例的黑磷
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二维电子气异质结忆阻器：
35.步骤(1)：采用胶带撕黑磷来将黑磷减薄3至5次，使得黑磷厚度为30至60nm，并将黑磷转移到钛酸锶(sto)衬底上；
36.步骤(2)：在整个sto表面匀一层大约10um的光刻胶，进行第一次光刻(选取大概1/3的黑磷进行紫外线照射，照射结束后在显影液里显影，使得紫外线照射的区域的光刻胶溶解，进而促使光刻的区域裸露出来)，在第一次光刻的区域进行磁控溅射金薄膜。溅射结束后，用丙酮洗去其余的光刻胶，只有光刻的区域遗留的金薄膜方为所需要的金电极。
37.步骤(3)：然后选取黑磷的另外一侧的1/3处进行第二次光刻，使得两次光刻位置之间仍有1/3的黑磷存在，第二次光刻结束后，进行离子束轰击，采用氩离子束，在200v轰击电压下对第二次光刻区轰击10分钟，刻蚀区域的黑磷以及部分sto被刻蚀，在sto衬底表面形成二维电子气(2deg)，再用丙酮洗去其余的光刻胶。
38.步骤(4)：最后在整个器件上方旋涂一层几微米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，固化后得到在金电极和2deg上使用键合机点焊引出导线。
39.将导线连接电表，以测量铁电异质结的电学性质。
40.研究异质结忆阻器内建电势与激发电压的关系：通过调控激发电压的方向和大小，研究内建电势的变化情况。图2为忆阻器内建电势
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激发电压的曲线图，由图可知内建电场在外界电压的刺激下，随着正向电压的增大而减小，随着负向电压的增大而增大；在同一电压下，内建电势因电压的变化趋势不同而不同，且可以长久保持不变，该现象说明内建电势
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激发电压曲线是迟滞回线，进而说明内建电势的变化是非易失性的。
41.研究忆阻器的电流随激发电压变化的变化曲线，如图3所示，图中i
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v曲线表明了电阻是可以调控的，且复合忆阻器的八字曲线，说明该异质结可以实现电阻的记忆。此外，该忆阻器在正负向刺激电压下阻值变化是不对称的，与异质结的单向导电性相吻合。
42.进一步研究忆阻器的电阻与刺激电压之间的关系，图4为忆阻器的电阻
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刺激电压的曲线图，图a的测试温度为300k，图b的测试温度为200k，由结果可知，在不同的温度下均可通过改变刺激电压来调控忆阻器的电阻，施加正向电压使忆阻器的电阻降低转变为低阻态，而施加负向电压则促使忆阻器转变为高阻态，且转变后阻值会长久保持，该现象也说明了本发明制备的黑磷
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二维电子气异质结忆阻器可通过改变刺激电压的方向及大小来调控
电阻的大小，且其阻值具有记忆性。
43.由上述结果可知，本发明制备的黑磷
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二维电子气异质结忆阻器工作温度范围广、阻值调节范围大，在较弱的刺激电压作用下，就有很大的阻值变化(在
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8v至5v范围内的刺激电压下，电阻可在105至109欧姆内调节)，且阻值具有记忆性，可长久保持。
44.以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。