一种基于MXene/钡铁氧体的铁电忆阻器、阵列及其制备方法

本发明涉及一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器、阵列及其制备方法，属于铁电存储技术领域。

背景技术：

在当今信息化时代，集成电路技术是整个信息技术及信息社会的核心技术。随着cmos逻辑和存储器件尺寸的不断缩小，并逐渐逼近物理极限，集成电路技术“摩尔定律”的延续也将遭遇困境。同时，传统的信息存储与处理分离的计算机系统架构也遇到“冯·诺伊曼瓶颈”、“存储墙”等一系列技术的挑战。是否有新型信息器件给信息技术的发展带来革命性的突破，一直以来都是萦绕在学术界和产业界人们心头的梦想。

忆阻器被认为是电阻、电容和电感之外的第四种电路基本元件，且被视为下一代非易失性存储器技术，具有高速、低功耗、易集成，以及与cmos工艺兼容等优势，能够满足下一代高密度信息存储和高性能计算对通用型电子存储器的性能需求。同时，忆阻器能够实现非易失性状态逻辑运算和类脑神经计算功能，在单个器件中融合信息存储与计算，可作为未来信息存储与计算融合的非图灵计算模型和非冯·诺伊曼计算体系架构的核心基础器件，在大数据时代超高密度信息存储、超高性能计算和类脑人工智能等重大战略领域中具有里程碑的意义和基石作用。

本发明通过对铁电忆阻器的阻变层进行了改进，制得存储多值、性能稳定的铁电忆阻器，能够提高铁电存储器的存储密度和应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器、阵列及其制备方法。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列，包括多个相互平行且设有间隙的第二电极层，所述第二电极层上设有阻变层，所述阻变层包括设于第二电极层上的介质层和设于介质层上的mxene，所述介质层为钡铁氧体，所述介质层上设有多个相互平行且设有间隙的第一电极层，所述第一电极层与第二电极层之间交叉布设。

作为一种优选实施方式，多个所述第一电极层与第二电极层之间垂直布设。

作为一种优选实施方式，所述介质层和第二电极层的形状和尺寸保持一致。

作为一种优选实施方式，所述介质层的厚度为40nm。

作为一种优选实施方式，所述第一电极层的厚度为100nm，所述第二电极层的厚度为90nm，所述第一电极层、第二电极层均选自铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。

第二方面，本发明提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器，包括由上到下依次布设的第一电极层、第二电极层和填充于第一电极层和第二电极层之间的阻变层，所述阻变层包括设于第二电极层上介质层和设于介质层上的mxene，所述介质层为钡铁氧体。

第三方面，本发明提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

步骤s1、在烘干的衬底上设置第一掩模版，真空环境下，将第二电极层材料作为第一溅射源溅射沉积到衬底上表面，制得第二电极层；

步骤s2、取下第一掩模版，通过对准标记覆盖第二掩膜版，将第一溅射源更换为含钡铁氧体的第二溅射源，将第二溅射源溅射到第二电极层上，制得设于第二电极层上的介质层；

步骤s3、取下第二掩模版，并取mxene和去离子水混合均匀，制得mxene悬浊液；

步骤s4、将mxene悬浊液的上层浊清液，涂至介质层上，制得含有mxene/钡铁氧体的阻变层；

步骤s5、在阻变层上方设置第三掩模版，选取第一电极层材料为第三溅射源，向阻变层溅射第一电极层材料，以制得第一电极层，从而获得基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列。

作为一种优选实施方式，所述mxene悬浊液的浓度为10mg/ml。

作为一种优选实施方式，采用铂作为第一溅射源，溅射沉积得到第二电极层，所述第二电极层为铂电极；采用铜作为第三溅射源，溅射沉积得到第一电极层，所述第一电极层为铜电极。

作为一种优选实施方式，采用甩胶机将步骤4中mxene的悬浊液均匀地旋涂到介质层上，所述甩胶机旋涂时间为2min，甩胶机的转速为1500r/min。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、本发明提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列，包括多个相互平行且设有间隙的第二电极层，所述第二电极层上设有阻变层，所述阻变层包括设于第二电极层上的介质层和设于介质层上的mxene，所述介质层为钡铁氧体，所述介质层上设有多个相互平行且设有间隙的第一电极层，所述第一电极层与第二电极层之间交叉布设，通过将第一电极层与第二电极层多组交叉布设，相比于单一器件具有更小的特征尺寸，能够显著提高阻变层的开关特性和稳定性，使得基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器能够更好的应用于多值存储，可以代替神经网络的突触权值等，大大增加了铁电存储器的存储密度和应用范围。

2、本发明提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器，包括由上到下依次布设的第一电极层、第二电极层和填充于第一电极层和第二电极层之间的阻变层，所述阻变层包括设于第二电极层上介质层和设于介质层上的mxene，所述介质层为钡铁氧体。本发明制得的铁电忆阻器，具有良好的开关特性和稳定性，可用于多值存储，模拟人脑的神经元，具有旷阔的前景。

3、本发明提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列的制备方法，能够用于制备基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列，该制备方法简单、高效，成本也低，适合在产业上推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列的结构示意图。

图2为本发明实施例二提供的一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器的结构示意图。

图3为本发明实施例三提供的一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列的制备流程图。

图4为本发明实施例四提供的一种基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列的制备流程图。

图5为本发明实施例四提供的一种基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列在10^-3a限流下的循环伏安曲线图。

图6为本发明实施例四提供的一种基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列在10^-3a限流下6个cycle中循环伏安曲线图。

图7为本发明实施例四提供的一种基于基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列在不同限流下阻值变化图。

图8为本发明实施例四提供的一种基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列在0.01v电压下电阻保持特性时长曲线图。

图中：1、第一电极层；2、mxene；3、介质层；4、阻变层；5、衬底；6、第二电极层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

本发明提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列，请参加图1，包括多个相互平行且设有间隙的第二电极层4，所述第二电极层4设有阻变层6，所述阻变层6包括设于第二电极层4的介质层3和设于介质层3上的mxene2，所述介质层3钡铁氧体，所述介质层3上设有多个相互平行且设有间隙的第一电极层1，所述第一电极层1与第二电极层4之间交叉布设。通过将第一电极层与第二电极层多组交叉布设，相比于单一器件具有更小的特征尺寸，能够显著提高阻变层的开关特性和稳定性，使得基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器能够更好的应用于多值存储，可以代替神经网络的突触权值等，大大增加了铁电存储器的存储密度和应用范围。

本领域技术人员，可以将多个所述第一电极层1与第二电极层4之间设置为垂直状态，也可以将第一电极层1和第二电极层4设置成45度角，具体设置角度可以根据实际需要进行设置。

优选地，所述介质层3和第二电极层4的形状和尺寸一一匹配，例如介质层3第二电极层4的形状为长方形。所述介质层3的厚度为40nm，也就是钡铁氧体的厚度为40nm，但不限于此。所述介质层3为铁电材料介质层，通过pvd方法制得。

所述第一电极层1的厚度为100nm，所述第二电极层4的厚度为90nm，所述第一电极层1可以选自铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种，所述第二电极层4也可以选自铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。

所述第一电极层1和第二电极层4用于与外部电源进行电连接，第一电极层1和第二电极层4的材质可以相同，也可以不同，本发明的第一电极层1和第二电极层4通过pvd(物理气相沉积)方法制得。

实施例二：

本实施例还提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器，请参见图2，包括第一电极层1、第二电极层4和阻变层6，具体地，所述第一电极层1、第二电极层4和填充于第一电极层1和第二电极层4之间的阻变层6由上到下依次布设，所述阻变层6包括设于第二电极层4上介质层3和设于介质层3上的mxene2，所述介质层3为钡铁氧体。

所述介质层3和第二电极层4的形状和尺寸保持一致，即钡铁氧体与第二电极层4的形状和尺寸保持一致。

所述钡铁氧体的厚度为40nm，但不限于此，例如可以是50nm，也可以是35nm。

本实施例中，可以选用铜作为第一电极层1，选用铂作为第二电极层4，所述第一电极层1，即铜电极的厚度为100nm，所述第二电极层4，即铂电极的厚度为90nm，也可以选用金作为第一电极层1，选用钨作为第二电极层4。

本领域技术人员可以根据实验需要，将第一电极层1、第二电极层4选用铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨等材料。

实施例三：

本发明还提供一种基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列的制备方法，请参见图3，所述制备方法包括如下步骤：

步骤s1、在烘干的衬底6上设置第一掩模版，真空环境下，将衬底6固定在溅射系统的靶枪上，选取第二电极层4材料作为第一溅射源，通过磁控溅射仪将第一溅射源溅射沉积到衬底6上表面，以使第一溅射源均匀、完全覆盖在衬底6上表面，制得第二电极层4；

步骤s2、取下第一掩模版，通过对准标记覆盖第二掩膜版，将第一溅射源更换为含钡铁氧体的第二溅射源，将第二溅射源溅射到第二电极层4上，在第二电极层4的表面均匀、完全溅射出介质层3，即制得设于第二电极层4上的介质层3；

步骤s3、取下第二掩模版，并取mxene2和去离子水，搅拌5min-15min，混合均匀后，制得mxene悬浊液，所述mxene悬浊液的浓度为10mg/ml；

步骤s4、吸取s3步骤中mxene悬浊液的上层浊清液，将mxene悬浊液的上层浊清液，滴涂至介质层3上，采用甩胶机均匀地旋涂1min-3min，使得介质层3的上表面均匀覆盖一层mxene材料膜，制得介质层3与mxene材料膜形成阻变层4，所述甩胶机的转速为1500r/min，旋涂一段时间后，制得含有mxene/钡铁氧体的阻变层6；

步骤s5、将步骤s4制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层6顶部安装第三掩模板，选取第一电极层1材料为第三溅射源，向阻变层6溅射第一电极层1材料，以制得第一电极层1，从而获得基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器阵列。

实施例四：

为了方便理解，本实施提供一种基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列的制备方法，该制备方法，请参见图4，具体包括以下步骤：

步骤s1、在烘干的衬底6上设置第一掩模版，真空环境下，将衬底6固定在溅射系统的靶枪上，选取铂材料作为第一溅射源，通过磁控溅射仪将第一溅射源溅射沉积到衬底6上表面，以使第一溅射源均匀、完全覆盖在衬底6上表面，制得铂电极；

步骤s2、取下第一掩模版，通过对准标记覆盖第二掩膜版，将第一溅射源更换为含钡铁氧体的第二溅射源，将第二溅射源溅射到铂电极上，在铂电极的表面均匀、完全溅射出介质层3，即制得设于铂电极上的介质层3；

步骤s3、取下第二掩模版，并取mxene2和去离子水，搅拌5min-15min，混合均匀后，制得mxene悬浊液，所述mxene悬浊液的浓度为10mg/ml；

步骤s4、吸取s3步骤中mxene悬浊液的上层浊清液，将mxene悬浊液的上层浊清液，滴涂至介质层3上，采用甩胶机均匀地旋涂2min，使得介质层3的上表面均匀覆盖一层mxene材料膜，制得介质层3与mxene材料膜形成阻变层4，所述甩胶机的转速为1500r/min，旋涂一段时间后，制得含有mxene/钡铁氧体的阻变层6；

步骤s5、将步骤s4制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层6顶部安装第三掩模板，选取铜材料为第三溅射源，向阻变层6溅射铜材料，以制得铜电极，从而获得基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列。其中，所述第一电极层1为铜电极，所述第二电极层4为铂电极。

图5为实施例四提供的一种基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列的循环伏安曲线图，其中，横坐标是电压，纵坐标是电流。电压扫描从0v到4v，在电压扫描还未到4v时，大概3v左右时，基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器通过set过程，保持稳定的阻值，在电压从0v到-4v扫描的过程中发生rset过程，回到高阻态，并能够保持稳定的阻值。

为考察重复10^-3限流下基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列的6次循环伏安测试曲线图，请参见图6，可以看到本发明忆阻器的set电压稳定在3v以内，rset电压稳定在-2v以内。本发明忆阻器具有较高的稳定性，每一个i-v曲线都大致相同。

图7是在不同的限流下，本发明基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列的set过程曲线图，随着限流的增大，set电压随之减小，并且本发明基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器的电阻也呈现出不同的变化趋势，说明本发明基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器具有多值存储的良好前景。

图8是基于铜/mxene/钡铁氧体/铂的铁电忆阻器阵列在高阻态和低阻态下维持时间，当铁电忆阻器在一个较小的电压作用下时，基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器的低阻态阻值(约100ω)可以持续超过800秒，高阻态阻值(约10⁷ω)也可持续超过800秒，且持续时间可进一步延长。其中，横坐标为时间，纵坐标为阻值。由图4至图7可知，本发明基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器的阻态稳定，并具有多阻值切换的良好性能。图7所示的高阻态阻值约为10⁷ω，低阻态阻值约为100ω，开关比为10⁵，即说明本发明基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器具有较好的开关特性。

综上，本发明基于mxene/钡铁氧体的铁电忆阻器的具有良好的导电性和稳定性，可用于多值存储，模拟人脑的神经元，具有旷阔的前景。此外，本发明的制备方法简单、高效，成本也低，适合在产业上推广使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。