一种基于二维材料MXene的忆阻器阵列的制备方法与流程

本发明涉及一种基于二维材料mxene的忆阻器阵列的制备方法，可用于忆阻器器件制备技术领域。

背景技术：

忆阻器是一个与磁通量和电荷量相关的无源电路元件。早在1971年，蔡少棠教授便从理论上预言了忆阻器的存在，直到2008年，惠普实验室首次制备了忆阻器器件，证实了蔡少棠教授有关忆阻器的学说。忆阻器具有非线性电学性质，并兼具结构简单、易于集成、速度快、功耗低、能与cmos电路兼容等优势。

分立忆阻器器件是一种简单的二端器件，包括顶电极、底电极以及阻变层，阻变机理是基于金属阳离子或等效的氧空穴的移动。基于这种分立结构制作的忆阻器与神经突触极为相似，具有显著的非线性特征。此外，由于忆阻器的可扩展性和3d堆叠能力，忆阻器阵列与由神经突触构成的神经网络也具备非常相似的特性。

mxene是一种过渡族金属碳化物或氮化物，具有较好的导电性，亲水性，结构稳定性等特点，被广泛的应用于电化学的研究如超级电容器以及锂离子电池电极材料，但将其引入忆阻器阻变层这方面的研究则较少。

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，提出一种基于二维材料mxene的忆阻器阵列的制备方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于二维材料mxene的忆阻器阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：

s1：采用超纯水对硅片先进行清洗再对硅片进行烘干，在烘干之后的硅片上覆盖第一掩膜版，通过pvd物理气相沉积淀积一层100nm的tin作为底电极；

s2：取下第一掩膜版，通过对准标记覆盖第二掩膜版氧化生长一层80nm的sio2阻变层；

s3：制备mxene粉末与二甲基亚砜的混合溶液，通过甩胶机旋涂在sio2上，随后进行蒸发去除多余的溶剂，使sio2层上覆盖一层厚度均匀的mxene二维材料层；

s4：取下第二掩膜版，通过对准标记覆盖第三掩膜版淀积一层厚度为25nm的cu以及厚度为100nm的tin分别作为顶电极及电极保护层。

优选地，在所述s3步骤中，称一定量的mxene粉末与一定量的二甲基亚砜按照按照浓度为20％的混合比例在容器中使两者充分混合。

优选地，将1g的mxene粉末和5ml二甲基亚砜溶液，同时加到10ml离心管中，超声混合30min。

优选地，所述忆阻器阵列包括由下至上三层结构，依次为底电极、sio2和mxene层、顶电极及顶电极保护层，底电极、阻变层、顶电极及电极保护层垂直共轴设置。

优选地，在所述s2和s4步骤中，cu、tin、sio2的淀积方法均为物理气相沉积。

优选地，所述忆阻器阵列为3×3阵列。

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。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：本发明以硅片为衬底，采用三层掩膜版并在忆阻器阵列中引入mxene层和sio2层成功制备忆阻器阵列，mxene的引入能够控制和约束阵列中忆阻器器件内部形成的离子通道，从而改善当前忆阻器中存在的电学特性不稳定、重复性差等问题，更好的模拟神经元以及之间的互联互通关系。

附图说明

图1为本发明忆阻器阵列的制备及测试总框架图；

图2为本发明绘制的用于淀积金属底电极的第一掩膜版图；

图3为本发明绘制的用于淀积阻变层的第二掩膜版图；

图4为本发明绘制的用于淀积金属顶电极及其保护层的第三掩膜版图；

图5为本发明tin/cu/mxene/sio2/tin忆阻器3×3阵列的制备示意图；

图6为本发明阵列忆阻器在双向直流扫描下得到的典型i-v曲线图；

图7为本发明阵列忆阻器的阻态稳定性的测试结果图；

图8为本发明阵列忆阻器的retention测试结果图。

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二维材料mxene的忆阻器阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：

s1：采用超纯水对硅片进行清洗再用烘干机进行烘干，在烘干之后的硅片上覆盖第一掩膜版，通过pvd物理气相沉积淀积一层100nm的tin作为底电极；

s2：取下第一掩膜版，通过对准标记覆盖第二掩膜版氧化生长一层80nm的sio2阻变层；

s3：制备mxene粉末与二甲基亚砜的混合溶液，通过甩胶机旋涂在sio2上，随后进行蒸发去除多余的溶剂，使sio2层上覆盖一层厚度均匀的mxene二维材料层；

s4：取下第二掩膜版，通过对准标记覆盖第三掩膜版淀积一层厚度为25nm的cu以及厚度为100nm的tin分别作为顶电极及顶电极保护层。

在所述s3步骤中，称一定量的mxene粉末与一定量的二甲基亚砜按照1∶50的比例在容器中使两者充分混合，具体地，在本技术方案中，将0.25g的mxene粉末和5ml二甲基亚砜溶液，同时加到10ml离心管中，超声混合30min。

所述忆阻器阵列包括由下至上三层结构，依次为底电极、sio2和mxene层、顶电极及顶电极保护层，底电极、阻变层、顶电极及电极保护层垂直共轴设置。

在所述s2和s4步骤中，cu、tin、sio2的淀积方法均为物理气相沉积，所述忆阻器阵列为3×3阵列。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。所述m为ti或v，a为al或si。

本次使用的掩膜版可以制备3×3、8×8、12×12大小的忆阻器阵列，在这里忆阻器阵列的制备流程以3×3阵列为例，为了防止器件污染，以下器件制备的操作均在超净间进行。测试仪器为keithley4200-scs，忆阻器阵列的制备及测试总框图如图1所示。

新型二维材料mxene的制备步骤如下：

首先，用超纯水进行硅片清洗，之后在硅片上覆盖第一掩膜版，第一掩膜版如图2所示，通过pvd物理气相沉积淀积一层厚度为100nm的tin金属层作为底电极。

然后取下第一掩膜版，通过硅片上的对准标记覆盖第二掩膜版，第二掩膜版如图3所示，氧化均匀生长一层厚度80nm的sio2材料层。

接着制备mxene与二甲基亚砜(dmso)的混合溶液，称一定量的mxene粉末与一定量的二甲基亚砜按照浓度为20％的混合比例在离心管中使两者充分混合；将生长了sio2的硅片放在甩胶机上，通过旋涂均匀覆盖一层mxene二维材料层，与sio2层一起作为忆阻器阵列的阻变层；

然后取下第二掩膜版，覆盖上第三掩膜版，第三掩膜版如图4所示，利用物理气相沉积淀积厚度为25nm的cu以及100nm的tin材料层分别作为顶电极以及电极保护层，得到的器件制备流程图如图5所示。

下面是对忆阻器阵列的测试方式：

作为底电极的tin的一端接地，另一端的tin接正电压，电学测试过程中我们将正向扫描过程的停止电压设置为2.5v，即从0v以步幅为5mv增加到2.5v进行正向扫描。反向扫描过程的停止电压设置为-2v，即从0v以步幅为-5mv增加到-2v进行反向扫描，其中正向反向均为双向扫描，得到如图6所示的典型的具有明显开口的i-v特性曲线图；随后，进行正反向直流循环扫描100次，并在0.1v的小电压提取高低态的电阻值，得到高低态阻值的稳定分布情况，如图7所示，在100次测试之后阻值分布仍然保持稳定，表明新型的阵列忆阻器具备较好的稳定性。最后，如图8所示，对忆阻器阵列进行了retention测试，测试结果显示，器件在0.1v正电压的连续刺激下的阻态在4000s内较平稳，表明新型的阵列忆阻器的阻态具有较好的保持特性。

该方法首先淀积tin底电极，其次，采用pvd淀积sio2层，再将mxene和二甲基亚砜(dmso)的混合液利用甩胶机在氧化层上旋涂均匀的一层二维材料，之后采取物理气相沉积淀积金属顶电极cu和最外层的保护层tin，最后进行电学测试分析。这种新型忆阻器阵列拥有不同于传统分立的金属-氧化物-金属忆阻器的结构，通过在忆阻器阵列中引入mxene材料，控制和约束忆阻器阵列内部形成的导电细丝通道，从而改善当前忆阻器中存在的电学特性不稳定、重复性差等问题。

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。