一种基于硅基半导体器件均匀MXene薄膜的制备方法及其在忆阻器的应用与流程

本发明涉及一种基于硅基半导体器件均匀mxene薄膜的制备方法及其在忆阻器的应用，属于膜制备以及忆阻器器件技术领域。

背景技术：

忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四类无源元件，是一个与磁通量和电荷相关的无源电路元件。早在1971年，国际非线性电路和细胞神经网络理论先驱：蔡少棠基于电路理论，从理论上预言了忆阻器的存在。2008年，惠普实验室首次在实验上构筑了忆阻器原型器件，证实了蔡少棠有关忆阻器的学说。忆阻器具有新颖的非线性电学性质，并兼具密度高、尺寸小、功耗低、非易失性等特点，被认为是发展下一代新型非易失性内存器的理想方案。

忆阻器的第一个实物是一种三明治结构，顶电极和底电极是惰性金属，阻变机理是基于掺杂氧空穴的二氧化钛。基于这种结构制作的忆阻器价格昂贵，难以得到很好商业应用。近些年来，忆阻器的阻变层正在被一个个性能卓越的二维材料所替代。

最近，一种二维材料材料mxene被成功开发出来，其具有较高的电子导电性，亲水性好，易制备等特点。由于它制备过程导致表面挂各种不同官能团，导致会呈现出类半导体的性质，被广泛地应用于电化学的研究，取得了令人瞩目的成绩。但是针对它与众不同的性质，将其作为忆阻器的核心器件，目前这方面研究比较稀少。此外，如何将mxene作为硅基忆阻器的核心阻变层，也需要一定探究，从而扩展mxene这种新材料在半导体器件的应用。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于硅基半导体器件均匀mxene薄膜的制备方法及其在忆阻器的应用。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于硅基半导体器件均匀mxene薄膜的制备方法，

该方法包括如下步骤：

s1：向10ml离心管中加入mxene粉末和二甲基亚砜溶液；

s2：将s1步骤得到的混合溶液进行超声混合，超声混合时间为30min，然后打开甩胶机将硅片放置于甩胶机上，转速设为200转，用胶头滴管将混合溶液的上清液匀速滴到硅片上；

s3：加大甩胶机转速，60s后关闭甩胶机，然后取出硅片进行加热烘干，得到均匀mxene薄膜。

优选地，在s1步骤中，所述mxene粉末和二甲基亚砜溶液的体积比为1％～10％。

优选地，所述mxene粉末是采用氢氟酸溶液处理max原料，反应完全后加入去离子水洗涤至中性，溶液剥离后得到的；其中max原料成分是mn+1axn，其中m为过渡金属，a为iiia和iva族元素，x为c或n中的一种或两种混合，

优选地，所述m为ti或v，a为al或si。

优选地，在s2步骤中，将硅片放置于甩胶机中央。

优选地，在s3步骤中，所述甩胶机的转速范围为750转～4500转。

本发明还揭示了一种基于硅基半导体器件均匀mxene薄膜的制备方法制得的mxene薄膜的应用，所述mxene薄膜应用于忆阻器二端器件的制作，mxene薄膜用于忆阻器器件的介变层，制备出了结构为cu/mxene/sio2/w/si单一结构的忆阻器件。

优选地，cu、sio2、w的生长方法均为物理气相沉积。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明以硅为衬底，mxene在二甲基亚砜溶液中实现很好的分层，增加粘附性，解决了mxene水溶液很难在硅片生长的难题。这种mxene薄膜均匀性好，粘附性高，具有较强的导电性、机械性能，操作简单，成本低廉，利于大规模应用，拓展了mxene这种新材料在硅基半导体器件的应用。

附图说明

图1为本发明的各种条件mxene(ti3c2)的薄膜金相显微镜图像。

图2为本发明的mxene(ti3c2)粉末sem图像。

图3为本发明的mxene(ti3c2)粉末sem图像。

图4为本发明的mxene(ti3c2)粉末sem图像。

图5为本发明的mxene(ti3c2)薄膜制作流程图。

图6为本发明的mxene(ti3c2)薄膜所做的忆阻器器件器件结构图。

图7为本发明的忆阻器器件测得的伏安特性曲线。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种基于硅基半导体器件均匀mxene薄膜的制备方法，该方法包括如下步骤：

s1：向10ml离心管中加入一定比例的mxene粉末和二甲基亚砜溶液，其中mxene粉末和二甲基亚砜溶液的体积比为1％～10％；

s2：将s1步骤得到的混合溶液进行超声混合，超声混合时间为30min，然后打开甩胶机将硅片放置于甩胶机上，转速设为200转，用胶头滴管将混合溶液的上清液匀速滴到硅片上；

s3：加大甩胶机转速，60s后关闭甩胶机，然后取出硅片进行加热烘干，最后成功生长出了均匀mxene薄膜。

在s1步骤中，所述mxene粉末是采用氢氟酸溶液处理max原料，反应完全后加入去离子水洗涤至中性，溶液剥离后得到的；其中max原料成分是mn+1xntx，其中m是早期过渡金属，例如ti，v，a为iiia和iva族元素，例如al，si，x为c或n中的一种或两种混合。

上述所有步骤都必须在超净间完成防止器件污染。这种镀膜方法也被应用于忆阻器二端器件的制作，将mxene薄膜作为忆阻器的介变层，成功通过pvd镀膜以及上述方法制成了cu/mxene/sio2/w/si的忆阻器单一器件，通过iv循环测试测出了滞回曲线，实现了多阻态变化。

实施例1

先将0.3gti3c2粉末和3ml二甲基亚砜溶液，体积比为10％，同时加到10ml离心管中，超声混合均匀30min。打开甩胶机，取清洗干净的硅片，启动甩胶机，转速设为200转。用胶头滴管将10ml离心管中的上清液，以每秒钟1滴速度滴在硅片中间，然后加快甩胶机转速至750转，60s后停掉甩胶机，然后取出硅片进行烘干，得到ti3c2mxene薄膜如图1所示，所得mxene在硅片上薄膜扫描电镜形貌如图2所示，整个过程的流程图如图5所示

实施例2

将0.15gti3c2粉末和3ml二甲基亚砜溶液，体积比为5％，同时加到10ml离心管中，超声混合30min。打开甩胶机，取清洗干净的硅片，启动甩胶机，转速设为200转。用胶头滴管用胶头滴管将10ml离心管中的上清液，以每秒钟1滴速度滴在硅片中间。然后加快甩胶机转速至2500转，60s后停掉甩胶机，然后取出硅片进行烘干，得到mxene薄膜如图1所示，所得mxene在硅片上薄膜扫描电镜形貌如图3所示。整个过程的流程图如图5所示。

实施例3

将0.03gti3c2粉末和3ml二甲基亚砜溶液，体积比为1％，同时加到10ml离心管中，超声混合30min。打开甩胶机，取清洗干净的硅片，启动甩胶机，转速设为200转。用胶头滴管用胶头滴管将10ml离心管中的上清液，以每秒钟1滴速度滴在硅片中间，然后加快甩胶机转速至4500转，60s后停掉甩胶机，然后取出硅片进行烘干，得到mxene薄膜如图1所示，所得mxene在硅片上薄膜扫描电镜形貌如图4所示。整个过程的流程图如图5所示

总结：经过金相显微镜以及扫描电镜的图像分析处理，实施例1可以在硅上得到更为致密均匀的mxene薄膜，是更为优化的实施方案。

mxene均匀薄膜在硅基忆阻器器件的应用：

步骤1：采用洗净的硅片作为衬底，通过物理气相沉积，沉积一层w，厚度为80nm。

步骤2：在w的上面继续通过物理气相沉积镀一层sio2，厚度为100nm。

步骤3：利用实施例1的方法在sio2旋涂一层mxene薄膜，作为忆阻器器件的介变层。

步骤4：利用一层掩膜版，将铜电极镀在si02表面作为整个器件的顶电极，厚度为80nm。制备得到的器件结构如图6所示，本步骤制备的器件的电流-电压曲线如图7所示。

本发明首先将二维mxene粉末和二甲基亚砜溶液超声混合均匀得到混合分散液，然后再利用甩胶的方法在具有疏水性的硅片生长了一层均匀致密的mxene薄膜，极大地扩展了mxene这种二维材料在硅基半导体器件上的应用前景。最后成功用这种方法制备出了以mxene为介变层的忆阻器单一器件，推动了忆阻器新型二维材料的介变层的研究进展。本发明制备出的均匀mxene薄膜，具有良好的稳定性、较高的导电性、稳定性、机械性能，所述方法简单、成本低廉、适合大规模应用。

本发明阐述了一种基于硅基半导体器件的均匀mxene薄膜的制备方法与其在忆阻器器件中的应用。首先将二维mxene粉末和二甲基亚砜溶液超声混合均匀得到混合分散液，然后再利用甩胶的方法在具有疏水性的硅片生长了一层均匀致密的mxene薄膜，极大地扩展了mxene这种二维材料在硅基半导体器件上的应用前景。最后成功用这种方法制备出了以mxene为介变层的忆阻器单一器件，推动了忆阻器新型二维材料的介变层的研究进展。本发明制备出的均匀mxene薄膜，具有良好的稳定性、较高的导电性、稳定性、机械性能，所述方法简单、成本低廉、适合大规模应用。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。