本发明涉及氧化石墨烯制备
技术领域：
，尤其涉及一种利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件及其制备方法。
背景技术：
：石墨烯的独特结构赋予其良好的室温电子迁移率，高导热系数和光学透明性以及优越的机械性能等特性，在传感器、电池、超级电容器、能源设备等领域有着广泛应用前景，已引起了全世界的关注。然而常规的石墨烯没有带隙，不具有磁性，限制了其在半导体工业以及自旋电子学器件的应用。与石墨烯不同，通过石墨烯氧化得到的氧化石墨烯(go)，因含有羟基、环氧基、羧基等官能团而呈现半导体性质，同时可以具有磁性。为了获得go的磁性，通常人们都是通过改变制备条件、参数等手段来增加含氧官能团的数量，而这些传统方法对go磁性的提高非常有限，远远达不到实用的要求，而且样品一旦制备出来，其磁性便不能进行方便的调控，成为制约其在自旋电子学方面应用的瓶颈。技术实现要素：针对现有氧化石墨烯磁性不方便调控，且磁性低等问题，本发明提供一种利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件。进一步的，本发明还提供一种利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件的制备方法。为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：一种利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件，所述器件包括依次结合的第一底电极、介质层和顶电极，或所述器件包括依次结合的第二底电极、储氧插层、介质层和顶电极，其中，所述介质层为氧化石墨烯薄膜。相对于现有技术，本发明提供的利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件具有以下优势：本发明通过制备第一底电极/介质层/顶电极或第二底电极/储氧插层/介质层/顶电极的结构利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件，通过电脉冲激发实现go磁性的可逆调控，方法简单有效。进一步地，本发明还提供所述利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件的制备方法。该制备方法，至少包括以下步骤：步骤1、利用旋涂法制备介质层；步骤2、采用磁控溅射方法在所述介质层上制备顶电极，得到基于电脉冲激发石墨烯磁性的器件；步骤3、对步骤2制备的器件进行电脉冲激发，在负/正脉冲交替作用下，可使介质层磁性发生增强、减弱的可逆变化。相对于现有技术，本发明提供的利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件的制备方法，具有以下优势：采用电脉冲激发的方式，实现对介质层磁性的可逆调控，本发明调控go磁性的机理是，通过电脉冲激发的方式可向go薄膜内引入氧，通过sp2/sp3的转化，促进薄膜内含氧基团的大幅度提高，与传统化学手段制备go方法相比，本发明的磁性显著增强，同时，施加正/负电脉冲提供了实现氧离子双向迁移的有效手段，从而可实现go薄膜磁性的可逆调控。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例提供一种利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件，所述器件包括依次结合的第一底电极、介质层和顶电极，或所述器件包括依次结合的第二底电极、储氧插层、介质层和顶电极，其中，所述介质层为氧化石墨烯薄膜。本方法通过采用氧化物电极或置入氧化物插层，利用电脉冲激发作用向go薄膜内额外引入氧，通过sp2/sp3的转化，可促进go薄膜内含氧基团数量的大幅度增加，从而有效提高薄膜的铁磁性，方法简单有效。优选地，所述第一底电极为富含氧离子的导电氧化物材料；和/或所述第二底电极为惰性金属电极；和/或所述顶电极为惰性金属电极；和/或所述储氧插层为富含氧离子非磁性氧化物材料。考虑到电场作用下要给go薄膜层输送或提供氧离子，所以所述器件必须要设置储氧层。本发明采用富含氧离子、且导电性能优良的氧化物材料作为第一底电极(例如sro薄膜)或在金属电极例如pt、au等惰性金属电极)上制备能够提供氧离子、且氧离子易于迁移的氧化物薄膜(例如gd2o3薄膜)作为储氧插层，然后利用旋涂法在储氧插层上制备go薄膜。为了防止顶电极参与氧离子的吸附/脱附反应，顶电极选择pt、au等惰性金属电极中的一种。所述第一底电极为钌酸锶；和/或所述储氧插层为氧化钆。优选地，所述顶电极由点电极组成，所述点电极的直径为0.8μm-1μm，厚度为70-200nm。优选地，所述顶电极占所述介质层表面面积的70-80％。优选地，所述介质层厚度为40nm-100nm；和/或所述储氧插层厚度为10nm-20nm；和/或所述第二底电极为pt、au中的一种；和/或所述顶电极为pt、au中的一种。本发明在提供该利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件的前提下，还进一步提供了该利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件的制备方法。在任一实施例中，该制备方法至少包括以下步骤：步骤1、利用旋涂法制备介质层；步骤2、采用磁控溅射方法在所述介质层上制备顶电极，得到基于电脉冲激发石墨烯磁性的器件；步骤3、对步骤2制备的器件进行电脉冲激发，在负/正脉冲交替作用下，可使介质层磁性发生增强、减弱的可逆变化。本方法通过采用氧化物电极或置入氧化物插层，利用电脉冲激发作用向go薄膜内额外引入氧，通过sp2/sp3的转化，可促进go薄膜内含氧基团数量的大幅度增加，从而有效提高薄膜的铁磁性，方法简单有效。下面对上述制备方法做进一步的解释说明：优选地，所述步骤1中利用脉冲激光沉积法制备储氧插层，然后利用旋涂法在所述储氧插层上制备介质层。优选地，所述电脉冲的脉冲强度0.2-0.6v，脉冲宽度μs-ms，限制电流10-100ma。优选地，所述旋涂法具体为：第一转速控制在200～400转/分钟，时间为10～18s，第二转速控制在1500～2500转/分钟，时间为30～60s，旋涂完毕后进行烘烤，烘烤温度为100℃，烘烤时间30～60min。本方法制备工艺简单，能实现go磁性的可逆调控。与现有技术相比，利用化学掺杂，改变制备条件、参数等这些传统方法制备go薄膜，一旦制备出来，薄膜磁性便不能进行方便的调控，本方法利用电脉冲激发的方式改变氧迁移的方向，通过sp2/sp3之间的相互转换可使go薄膜内含氧基团数量的显著增多或减少，磁性呈现强、弱交替变化，从而实现go薄膜磁性的可逆调控。为了更好的说明本发明实施例提供的，下面通过实施例做进一步的举例说明。实施例1本实施例提供一种利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件，所述器件包括第二底电极pt、顶电极au、位于第二底电极pt/顶电极au之间的氧化石墨烯(go)介质层及介质层/第二底电极之间氧化钆(gd2o3)储氧插层。go介质层薄膜厚度为50nm，顶电极au层厚度为100nm，其制备方法包括以下步骤：步骤1、采用脉冲激光沉积方法(pld)在第二底电极pt上制备gd2o3储氧插层；其中，所述第二底电极pt为商用pt/ti/sio2/si基底；所述gd2o3储氧插层薄膜厚度为20nm；步骤2、利用旋涂法在gd2o3储氧插层薄膜上制备go介质层；在室温下旋涂氧化石墨烯溶液：第一转速控制在300转/分钟，时间为18s，第二转速控制在2000转/分钟，时间为60s，旋涂完毕后将其移入真空电阻炉中进行烘烤，烘烤温度为100℃，烘烤时间60min。步骤3、在go介质层上制备顶电极au，得到基于电脉冲激发go磁性的au/go/gd2o3/pt器件；其中，所述顶电极au采用磁控溅射方法制备，所述顶电极由直径0.8μm～1μm、厚度100nm的点电极组成，顶电极总面积占所述介质层表面面积的70％～80％。步骤4、对步骤3制备的器件进行电脉冲激发，在负/正脉冲交替作用下，可使介质层磁性发生增强、减弱的可逆变化；对该器件采用多功能数字源表(keithleysourcemeter)进行电脉冲激发，电压施加顶电极，第二底电极接地，在正/负脉冲交替作用下，可使go介质层磁性发生增强、减弱的可逆变化。所述电脉冲的脉冲强度0.4v，脉冲宽度20μs，限制电流100ma。实施例2本实施例提供一种利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件，所述器件包括第二底电极pt、顶电极au、位于第二底电极pt/顶电极au之间的go介质层及介质层/第二底电极之间的gd2o3储氧插层。所述go介质层薄膜厚度为80nm，gd2o3储氧插层薄膜厚度为15nm。所述利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件的制备方法，具体所述电脉冲的脉冲强度0.6v，脉冲宽度2ms，限制电流100ma，限制电流100ma，其他步骤如是实施例1所述，不再赘述。实施例3本实施例提供一种利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件，所述器件包括第一底电极钌酸锶(sro)、顶电极au、位于第一底电极sro/顶电极au之间的go介质层。go介质层薄膜厚度为50nm，顶电极au层厚度为20nm，其制备方法包括以下步骤：步骤1、利用旋涂法在第一底电极钌酸锶制备go介质层；在室温下旋涂氧化石墨烯溶液：第一转速控制在200转/分钟，时间为10s，第二转速控制在2500转/分钟，时间为60s，旋涂完毕后将其移入真空电阻炉中进行烘烤，烘烤温度为100℃，烘烤时间60min。步骤2、采用磁控溅射方法在所述go介质层上制备顶电极au，得到基于电脉冲激发go磁性的au/go/sro器件；其中，所述顶电极由直径1μm，厚度70nm的点电极组成，顶电极总面积占所述介质层表面面积的70％。步骤3、对步骤2制备的器件进行电脉冲激发，在正/负脉冲交替作用下，可使go介质层磁性发生增强、减弱的可逆变化；对该器件采用多功能数字源表(keithleysourcemeter)进行电脉冲激发，电压施加顶电极，第一底电极接地，所述电脉冲的脉冲强度0.2v，脉冲宽度10μs，限制电流10ma。实施例4本实施例提供一种利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件，所述器件包括第一底电极钌酸锶(sro)、顶电极pt、位于第一底电极sro/顶电极pt之间的go介质层，得到基于电脉冲激发go磁性的pt/go/sro器件。go介质层薄膜厚度为100nm，顶电极pt层厚度为200nm。所述利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件的制备方法，具体所述脉冲的脉冲强度0.4v，脉冲宽度100μs，限制电流50ma。其他步骤如实施例3所述，不再赘述。为了更好的说明本发明实施例提供的利用电脉冲实现氧化石墨烯磁性可逆调控的器件的特性，下面将实施例1、2、3、4制备的go介质层在正/负脉冲激发后的室温磁矩测试结果如下表1所示。对上述实施例1-4中的所述器件采用多功能数字源表(keithleysourcemeter)进行电脉冲激发，电压施加于顶电极，第一底电极接地，在正/负脉冲交替作用下，可使go薄膜磁性发生增强、减弱的可逆变化。所述电脉冲的脉冲强度0.2～0.6v，脉冲宽度μs～ms，限制电流10-100ma。采用综合物性测量系统(ppms)测试实施例1-4中所述go介质层薄膜在正/负脉冲激发后的磁性。表1实施例1-4磁矩(μemu)测试结果实施例正脉冲负脉冲实施例117.56实施例219.67.1实施例318.46.4实施例415.85.2由表1可以看出，实施例1-4中所述go介质层薄膜的磁性在正/负脉冲激发后的变化规律相似：在正/负脉冲激发下，实施例1-4中所述介质层go薄膜均具有一定的室温铁磁性，但正脉冲激发下go薄膜的磁矩约为负脉冲激发后相应磁矩值的3倍左右，上述实验结果表明正/负脉冲作用下可以实现氧化石墨烯(go)磁性可逆调控，且在正脉冲激发可实现go磁性的大幅度提高。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12