一种平面型的阻变存储器及其制备方法

本发明涉及阻变存储器领域，尤其涉及一种平面型的阻变存储器及其制备方法。

背景技术：

通过新型电子学器件，模拟神经网络和人脑功能，探寻计算与存储融合的机制与方法，是未来计算机的趋势所在。近十年，国内外开展了一系列的“脑计划”研究，包括英特尔(loihi项目)、ibm(truenorth项目)在内的大量公司也致力于人工智能的类脑芯片研发，旨在突破冯·诺依曼架构的能效瓶颈。据mordorintelligence报告，神经形态计算市场将逐年上涨，预计2025年达六十亿美元。我国也在积极布局该领域，2016年，“脑科学与类脑研究”被确定为重大科技创新项目和工程之一，也被称为中国“脑计划”。该计划包括一体两翼，“体”是以研究脑认知的神经原理为主，研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”。

近年来，研究人员借助离子迁移、自旋和相变等物理现象，研制了一系列的电子学器件，并尝试开发高性能的类脑芯片。其中，阻变存储器(忆阻器)由于其多级存储属性，电阻态固有的非易失性，以及适合矩阵集成的易扩展两端结构等优点被认为是构建高度互连、大规模并行的万亿级大型突触神经网络最具潜力的器件之一。导电细丝型阻变存储器是最为常见的一种阻变存储器，电激励会引起介质层中导电细丝的形成和断裂，实现两个或多个电导态的切换。自2008年惠普实验室利用tio2成功制备世界首个阻变存储器以来，大量的该类阻变材料和器件被开发，研究论文也呈指数增长。但相比大量的人员和经费的投入，该类忆阻器的商业化转化效率较差，类脑领域应用也有待拓展。其中一个主要原因是导电细丝生长的随机性引起的器件电学性能的离散性，造成器件与器件的不一致性，循环与循环的不一致性。

因此，提高器件一致性有利于阻变存储器的商业化应用。国内外科学家通过优化介质层、优化电极等方式提升了阻变存储器的一致性。采用晶型材料作为介质层，有利于集中化离子的迁移行为，避免导电细丝的过度生长。这也是较为常用的一种策略，但该方法工艺偏复杂、成本偏高。如利用cvd法制备了氧化锌晶型纳米线，构筑了平面型的阻变存储器。截面透射电镜加能谱结果表面，离子的迁移被限域在纳米线表面，器件展现出良好的循环均一性。通过石墨烯缺陷工程控制活性电极离子向介质层中注入通道的尺寸和数量，集中化阻变存储器的导电通路，显著提升了器件电阻转变的一致性。对于电极优化，主要通过选取特定电极材料或电极形状进行。通过金字塔形铜电极，有利于限域导电细丝的生长，研制了一种高一致性的的氧化铝基忆阻器。但是，如上一致性策略存在工艺复杂和成本高的问题，如cvd生长、微纳加工等。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种平面型的阻变存储器及其制备方法，旨在解决现有一致性策略存在工艺复杂和成本高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种平面型的阻变存储器，其中，包括：衬底、位于所述衬底两端的第一电极和第二电极、及位于所述第一电极和第二电极之间的介质层，所述介质层为一维纳米材料或一维微米材料。

可选地，所述一维纳米材料选自纳米线、纳米带、纳米管、纳米棒中的一种。

可选地，所述一维微米材料选自微米线、微米带、微米管、微米棒中的一种。

可选地，所述介质层的材料选择肽、氨基酸、无机材料中的一种。

可选地，所述介质层为纳米线。

可选地，所述纳米线的直径为50-2000纳米，所述纳米线的长度为5-1000微米。

可选地，所述介质层为苯丙氨酸二肽纳米线。

可选地，所述第一电极和第二电极独立地选自银、金、铜、镍中的一种。

一种本发明所述的平面型的阻变存储器的制备方法，其中，包括步骤：

提供衬底；

在所述衬底两端制备第一电极和第二电极；

将制备好的一维纳米材料或一维微米材料形成于所述第一电极和第二电极之间，得到介质层。

可选地，所述介质层由纳米线组成，采用溶液自组装制备得到所述纳米线。

可选地，采用干法转移将制备好的一维纳米材料或一维微米材料转移至所述第一电极和第二电极之间。

有益效果：本发明利用兼具低维度和利于离子迁移的纳米材料或微米材料作为平面型阻变存储器的介质层，从而获得具有高一致性的阻变存储器，器件的操作电压和电流开关比的变异系数均在10％以内。

附图说明

图1为本发明具体的实施例中苯丙氨酸二肽纳米线的原子力显微镜测试结果图。

图2为本发明具体的实施例中平面型的阻变存储器的二维结构示意图。

图3为本发明具体的实施例中平面型的阻变存储器的三维结构示意图。

图4中a、b分别为本发明具体的实施例中平面型的阻变存储器的电流-电压数据图及分布统计图。

具体实施方式

本发明提供一种平面型的阻变存储器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。

为了改善阻变存储器的一致性，现有通常利用晶态的介质层或制备特殊形状的电极材料实现，这些一致性策略存在工艺复杂和成本高的问题，如cvd生长、微纳加工等。

基于此，本发明实施例提供一种平面型的阻变存储器，其中，包括：衬底、位于所述衬底两端的第一电极和第二电极、及位于所述第一电极和第二电极之间的介质层，所述介质层为一维纳米材料或一维微米材料。

本实施例中，利用兼具低维度和利于离子迁移的纳米材料或微米材料作为平面型阻变存储器的介质层，从而获得具有高一致性的阻变存储器，器件的操作电压和电流开关比的变异系数均在10％以内。

在一种实施方式中，所述一维纳米材料选自纳米线、纳米带、纳米管、纳米棒等中的一种。

在一种实施方式中，所述一维微米材料选自微米线、微米带、微米管、微米棒中的一种。

在一种实施方式中，所述介质层的材料选择肽、氨基酸、无机材料(如氧化锌、硫化锌、碳纳米线等)中的一种。

在一种实施方式中，所述介质层为纳米线。利用纳米线作为平面型阻变存储器的介质层，使得电极活性金属离子的迁移被限域在低维度的纳米线表面，显著抑制导电细丝的过生长，从而获得具有高一致性的阻变存储器。另外，纳米线具有较好的晶型，晶态的纳米线具有低的离子迁移势垒，从而有利于离子迁移。此外，纳米线可以通过分子自组装的方法制备得到，该制备方法可以为溶液滴涂法，条件温和，成本低。进一步地，所述介质层为肽基纳米线，如二肽纳米线，其具有长程有序的分子堆叠，晶体结构良好，更利于提高器件的一致性。另外，可以通过调控溶剂极性或采用不同的氨基酸序列，得到不同直径和长度的纳米线。作为举例，所述二肽纳米线为苯丙氨酸二肽纳米线，其为常见的二肽分子，具有强的自组装能力，能够容易地组装成晶体结构好的纳米线。

在一种实施方式中，所述纳米线的直径为50-2000纳米，所述纳米线的长度为5-1000微米。

在一种实施方式中，所述第一电极和第二电极独立地选自银、金、铜、镍等中的一种，但不限于此。其中所述第一电极和第二电极中的至少一个电极为活性电极。需说明的是，所述第一电极的材料和所述第二电极的材料可以相同，也可以不同。进一步地，所述第一电极的材料和所述第二电极的材料相同，这样可以同时制备所述第一电极和第二电极。

在一种实施方式中，所述衬底的材质为绝缘材料。作为举例，所述衬底可以为sio2、pet片、pen片等。

本发明实施例提供一种如上所述的平面型的阻变存储器的制备方法，其中，包括步骤：

提供衬底；

在所述衬底两端制备第一电极和第二电极；

将制备好的一维纳米材料或一维微米材料形成于所述第一电极和第二电极之间，得到介质层。

在一种实施方式中，所述介质层由纳米线组成，采用溶液自组装制备得到所述纳米线。本实施例利用低维度的线材料，且线材料本身的晶型也有利于构筑易于离子迁移的介质层，从而可以构筑低维度的、易于离子迁移的通路，实现导电细丝的限域生长，进而提高器件的一致性。另外，相比cvd等制备方法，本实施例中溶液法可大大减小制备成本，且工艺简单，条件温和。

在一种实施方式中，所述纳米线为肽基纳米线。

在一种实施方式中，所述纳米线为苯丙氨酸二肽纳米线，所述苯丙氨酸二肽纳米线的制备方法包括以下步骤：

取苯丙氨酸二肽粉末，加入六氟异丙醇充分溶解，随后向该溶解好的溶液中滴加极性溶剂(如水、甲醇等)，促使短肽分子聚集、组装；静置一段时间，随后取静置后溶液滴涂在清洗过的衬底上，60-80℃下隔夜退火得到所述苯丙氨酸二肽纳米线。

本实施例中，利用扫描电镜、原子力显微镜、x射线衍射仪和透射电镜等对苯丙氨酸二肽纳米线成分、形貌、晶体结构等进行研究。利用原子力显微镜的开尔文探针模式和力学模式，测量苯丙氨酸二肽纳米线的表面电势和杨氏模量。综合分析测试结果，优化苯丙氨酸二肽纳米线制备工艺，筛选适合用于器件制备的纳米线。具体根据器件开启速度、操作电压、开关态电流比、保留时间等参数来筛选合适的纳米线。器件开启速度在1微秒以内，操作电压在0.2伏特以内，开关态电流比在10000以上，保留时间在1000秒，器件的操作电压和开关态电流比的变异系数在10％以内，器件具有较高的一致性。

在一种实施方式中，采用干法转移将制备好的一维纳米材料或一维微米材料转移至所述第一电极和第二电极之间。

下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。

本实施例以溶液法制备的苯丙氨酸二肽纳米线为介质层，以银为电极材料，对平面型的阻变存储器制备进行介绍。

(1)苯丙氨酸二肽纳米线的制备

首先，取苯丙氨酸二肽粉末5mg，加入150μl的六氟异丙醇充分溶解，随后向该溶解好的溶液中滴加600μl的极性水溶剂，促使短肽分子聚集、组装；静置一段时间，随后取静置后溶液20μl滴涂在清洗过的硅衬底上，70℃下隔夜退火得到苯丙氨酸二肽纳米线。

其次，利用原子力显微镜对苯丙氨酸二肽纳米线的直径和长度进行测试，如图1所示，该纳米线的长度约为20微米，直径约为542纳米。

(2)基于干法转移的平面型阻变存储器制备及电学性能研究

基于平面型结构，选取银–银作为电极，制备平面型阻变存储器，制备流程如下：

首先，利用旋涂法在已清洗的氧化硅衬底(所述氧化硅衬底位于硅衬底上)上分别沉积160nm(3600rpm下50s)和20nm(7200rpm下50s)厚的聚甲基丙烯酸甲酯，180℃下退火2h；利用电子束光束预制镉/银电极图案，电极间距为500nm、1000nm和2000nm；在上述衬底上热蒸镀10/60nm的镉/银电极，用丙酮清洗90min，完成镉/银电极制备。需说明的是，镉/银电极指的是层叠设置的镉电极和银电极，其中镉电极与衬底贴合设置，这是因为银电极与氧化硅衬底直接接触不牢固，因此增设所述镉电极，使得银电极牢固地形成于氧化硅衬底上。

其次，纳米线介质层的收集、选择以及转移成为制备过程的关键，直接影响器件的成品率和介质层尺寸均一性，具体操作步骤如下：

第一，介质层的收集，将pdms膜粘附在苯丙氨酸二肽纳米线上，提起pdms，将含有苯丙氨酸二肽纳米线的一面朝上放置在玻璃衬底上；

第二，利用光学显微镜在视野中选择直径约为50nm、100nm、200nm、500nm左右的苯丙氨酸二肽纳米线(直径过大将限制离子迁移限域能力，过小会增大转移过程中破损概率)；

第三，利用转移平台，将所选择的直径约为500nm左右的苯丙氨酸二肽纳米线与制备好的镉/银电极对准；

第四，将pdms轻按在带有银对称电极的衬底上，停留数秒后缓缓抬起，即完成器件的制备。本实施例制备得到的器件结构见图2-3所示，其中1为硅衬底，2为氧化硅衬底，3为镉电极，4为银电极，5为苯丙氨酸二肽纳米线(作为介质层)。

器件测试结果表明，其可获得电流开关比大于10000，操作电压的变异系数小于10％，说明器件一致性良好，见图4中a-b所示。

综上所述，本发明提供的一种平面型的阻变存储器及其制备方法。本发明利用低维度的线材料，且线材料本身的晶型也有利于构筑易于离子迁移的介质层，从而可以构筑低维度的、易于离子迁移的通路，实现导电细丝的限域生长，进而提高器件的一致性。另外，相比cvd等制备方法，本发明采用溶液法制备纳米线，该方法可大大减小制备成本，且工艺简单。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。