专利名称：基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关及制备方法
1/3页基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关及制备方法技术领域
本发明专利涉及基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关及制备方法，更具体地，是一种涉及基于反应共溅射制备的钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关及制备方法。
背景技术：
电阻开关效应可应用于电阻开关随机存储(RRAM)，这类装置由金属/绝缘体/金属三明治结构构成。由于绝缘体中存在的可变价的金属离子、空位等，使得绝缘体内在电场或焦耳热等的作用下出现局部的金属-绝缘体转变，从而引起三明治结构的高低电阻变化，即电阻开关。寻找合适绝缘体材料成为人们的研究重点。钴铁氧体(CoFe2O4)具有很好的绝缘性，且具有复杂的立方反尖晶石结构，其中，晶格结构以氧原子作密堆积，在32个氧原子构成的面心立方晶格中，有64个四面体间隙(A位)和32个八面体间隙(B位)。其中，64个四面体A位由8个Fe占据,32个八面体的B位由8个Fe和8个Co占据。CoFe2O4 含有可变价态的Co、Fe离子和容易形成氧空位等特点，成为我们研究电阻开关的选择。
CoFe2O4在室温标准大气压下具有立方反尖晶石结构，晶格常数为a=8. 380 A。在尖晶石结构的单胞中，每个单胞有八个分子，共56个离子。这种复杂的晶体结构使得铁氧体的制备很困难。
磁控溅射方法是一种经济实用并可工业化的薄膜制备方法。在利用磁控溅射生长铁氧体薄膜时，各个研究小组用的都是化学配比的陶瓷靶，利用射频溅射把铁氧体从靶材 “移植”到基片上成膜，所用为标准化学配比的陶瓷靶。利用陶瓷靶射频溅射工艺复杂，需要制备或购买陶瓷靶材。发明内容
利用简单的金属靶材，反应共溅射法来制备CoFe2O4纳米薄膜，并利用金属/绝缘体(CoFe204)/金属三明治结构制备电阻开关。本发明即从以上目的出发，开发了一种基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关的制备方法。
本发明中基于CoFe204纳米薄膜和电阻开关的技术方案如下
—种基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关，利用反应溅射金属Fe靶和Co靶的方法制备CoFe2O4薄膜；并把CoFe2O4薄膜生长在镀有金属Pt的Si基底上，在CoFe2O4薄膜上表面涂银导电胶，构成Ag/CoFe204/Pt三明治结构；测量Ag/CoFe204/Pt三明治结构电阻开关效应。
本发明的基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关的制备方法，具体步骤如下
(I)采用三靶磁控溅射装置，在两个直流溅射靶头上分别安装金属纯度为 99. 99%的Fe靶和纯度为99. 99%的Co靶，溅射装置三靶都向上方正中心的样品位置倾斜， 与水平面的夹角约60度；
(2)将Si片固定在样品架，并放入溅射室中样品架位置；
(3)开启溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，并通过烘烤手段加3速抽真空速度，直至溅射室的背底真空度优于lX10_5Pa ；
(4)开启基底加热温控电源，将基底加热至面板显示温度650°C，稳定30分钟；
(5)同时打开流量计和溅射电源进行预热20分钟后，向真空室通入纯度为 99. 999%的溅射气体Ar和O2，其中Ar为lOOsccm，氧气为I. 8-8. Osccm，通过调节超高真空闸板阀的开启程度，将溅射室的气压控制在2. OPa,并稳定5分钟；
(6)开启溅射电源，在Fe靶上施加0. 2A的电流和360V的直流电压，Co靶上施加0.IA和360V的直流电压，预溅射20分钟，等溅射电流和电压稳定；
(7)控制基底在2转/分钟的转速下匀速旋转，并同时打开基底挡板，薄膜生长20 分钟，得到200nm厚的薄膜；
(8)溅射结束，依次关闭挡板、溅射电源和通气阀，并打开闸板阀对腔室继续抽真空，基底温度在650°C稳定I小时后以I度/分钟的速度降至室温，然后关闭抽真空系统，向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，打开真空室，取出CoFe2O4 ；
(9)在CoFe2O4上表面涂银导电胶，构成Ag/CoFe204/Pt三明治结构。
测量Ag/CoFe204/Pt三明治结构的电压-电流特性，研究其电阻开关效应。
分别在Pt和银表面粘铜丝做为导线，用电流源和电压表测量样品的电流-电压特性曲线，即测量样品的电阻开关效应，电流的变化过程为O — 100毫安一O — -100毫安一 O。
本发明效果如下
I.首次发现CoFe2O4纳米薄膜的电阻开关，具有很好的稳定性(电阻开关能够稳定循环200次)；
2.目前工业化生产薄膜材料所采用的主要方法是溅射法，我们首次用反应共溅射法成功制备了高质量CoFe2O4薄膜，相比其它薄膜制备技术，磁控溅射更容易实现工业化生产；
3.靶材选择简单，与射频溅射陶瓷靶方法相比，我们采用金属Fe和Co靶作为靶材来制备钴铁氧体薄膜，从工业上更容易获得。
图I共溅射设备中靶头、样品所在位置示意图。
图2基于CoFe2O4纳米薄膜构成的Ag/CoFe204/Pt三明治结构示意图。
图3生长的CoFe2O4的XRD图，从图中可以看到，生长的CoFe2O4薄膜为多晶薄膜。
图4CoFe204薄膜的电流-电压特性曲线，从图中可以看到，在相同的电压(如I 伏)下，对应着不同的电流，表现出了不同的电阻值，在氧气流量为3. Osccm时高低电阻的比值约为10，CoFe2O4纳米薄膜表现出很好的电阻开关效应。
具体实施方式
根据我们对本发明中所制备的样品进行的电流-电压特性分析，下面将基于 CoFe2O4纳米薄膜的电阻开关的制备方法的最佳实施方式进行详细地说明
I.在镀Pt的Si片上制备CoFe2O4薄膜。
(I)采用三靶磁控溅射装置，在两个直流溅射靶头上分别安装金属Fe (99. 99% )和Co(99. 99% )靶，如图I所示，溅射装置三靶都朝向上方正中心的样品位置倾斜，与水平面的夹角约60度；
(2)将镀Pt的Si片固定在样品架，并放入溅射室中样品架位置，如图I中样品所在位置
(3)开启溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，并通过烘烤等手段加速抽真空速度，直至溅射室的背底真空度优于lX10_5Pa ；
(4)开启基底加热温控电源，将基底加热至面板显示温度650°C，稳定30分钟；
(5)同时打开流量计和溅射电源进行预热20分钟后，向真空室通入纯度为 99. 999%的溅射气体Ar和O2，其中Ar为lOOsccm，O2气为3. Osccm，通过调节超高真空闸板阀的开启程度，将溅射室的气压控制在2. OPa,并稳定5分钟左右。
(6)开启溅射电源，在Fe靶上施加0. 2A的电流和360V左右的直流电压，Co靶上施加0. IA和360V左右的直流电压，预溅射20分钟，等溅射电流和电压稳定；
(7)控制基底在2转/分钟的转速下匀速旋转，并同时打开基底挡板，薄膜生长20 分钟，得到200nm厚的薄膜；
(8)溅射结束，依次关闭挡板、溅射电源和通气阀，并打开闸板阀对腔室继续抽真空，基底温度在650°C稳定I小时后以I度/分钟的速度降至室温，然后关闭抽真空系统， 向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，打开真空室，取出样品，可得到生长在镀Pt的Si片上的多晶的CoFe2O4薄膜，如图2所示，通过X射线衍射判断出所制备的为多晶的CoFe2O4薄膜。
2.制备 Ag/CoFe204/Pt 三明治结构。
在CoFe2O4上表面涂银导电胶，构成Ag/CoFe204/Pt三明治结构，如图3示意图所/Jn o
3.测量Ag/CoFe204/Pt三明治结构的电压-电流特性，研究其电阻开关效应。分别在Pt和银表面粘铜丝做为导线，用电流源和电压表测量样品的电流-电压特性曲线，即测量样品的电阻开关效应，电流的变化过程为O — 100晕安一0 — -100晕安一0,如图4所示，在相同的电压(如I伏)下，对应着不同的电流，表现出了不同的电阻值，在氧气流量为3.Osccm时高低电阻的比值约为10，表现出高低电阻态，即CoFe2O4纳米薄膜表现出很好的电阻开关效应。
权利要求
1.一种基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关，其特征是利用反应溅射金属Fe靶和Co靶的方法制备CoFe2O4薄膜；并把CoFe2O4薄膜生长在镀有金属Pt的Si基底上，在CoFe2O4薄膜上表面涂银导电胶，构成Ag/CoFe204/Pt三明治结构；测量Ag/CoFe204/Pt三明治结构电阻开关效应。
2.如权利要求I所述的基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关的制备方法，其特征是具体步骤如下(1)采用三靶磁控溅射装置，在两个直流溅射靶头上分别安装金属纯度为99.99%的 Fe靶和纯度为99. 99%的Co靶，溅射装置三靶都向上方正中心的样品位置倾斜，与水平面的夹角约60度；(2)将Si片固定在样品架，并放入溅射室中样品架位置；(3)开启溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，并通过烘烤手段加速抽真空速度，直至溅射室的背底真空度优于I X 10-5Pa ；(4)开启基底加热温控电源，将基底加热至面板显示温度650°C，稳定30分钟；(5)同时打开流量计和溅射电源进行预热20分钟后，向真空室通入纯度为99.999%的派射气体Ar和O2,其中Ar为IOOsccm,氧气为I. 8-8. Osccm,通过调节超高真空闸板阀的开启程度，将溅射室的气压控制在2. OPa,并稳定5分钟；(6)开启溅射电源，在Fe靶上施加0.2A的电流和360V的直流电压，Co靶上施加0. IA 和360V的直流电压，预溅射20分钟，等溅射电流和电压稳定；(7)控制基底在2转/分钟的转速下匀速旋转，并同时打开基底挡板，薄膜生长20分钟，得到200nm厚的薄膜；(8)溅射结束，依次关闭挡板、溅射电源和通气阀，并打开闸板阀对腔室继续抽真空，基底温度在650°C稳定I小时后以I度/分钟的速度降至室温，然后关闭抽真空系统，向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，打开真空室，取出CoFe2O4 ；(9)在CoFe2O4上表面涂银导电胶，构成Ag/CoFe204/Pt三明治结构。
全文摘要
本发明涉及基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关及制备方法，利用反应溅射金属Fe靶和Co靶的方法制备CoFe2O4薄膜；并把CoFe2O4薄膜生长在镀有金属Pt的Si基底上，在CoFe2O4薄膜上表面涂银导电胶，构成Ag/CoFe2O4/Pt三明治结构；测量Ag/CoFe2O4/Pt三明治结构电阻开关效应。本发明首次发现CoFe2O4纳米薄膜的电阻开关，具有很好的稳定性，电阻开关能够稳定循环200次；用反应共溅射法成功制备了高质量CoFe2O4薄膜，相比其它薄膜制备技术，靶材选择简单，与射频溅射陶瓷靶方法相比，我们采用金属Fe和Co靶作为靶材来制备钴铁氧体薄膜，更容易实现工业化生产。
文档编号C23C14/35GK102544366SQ20121004800
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者白海力, 米文博, 金朝 申请人:天津大学