一种峰谷电流比可调节的负微分电阻器件及其应用

本发明涉及半导体材料及功能器件，具体涉及一种峰谷电流比可调节的负微分电阻器件及其应用。

背景技术：

1、负微分电阻效应一般是指在电压增大的同时电流减小或者电流增大的过程中电压减小的一种非线性电学传输效应。具有负微分电阻效应的器件可以广泛应用于电路放大器、振荡器、脉冲发生器、存储器以及逻辑电路等领域，应用前景广阔。

2、现有的负微分电阻器件主要有隧道二极管和共振隧穿二极管，它们是基于电子隧穿效应。人们也在夹层膜，分子结，石墨烯等结构中发现了负微分电阻效应。通常情况下，这类器件中峰值电流较小，且在同一个器件中峰谷电流比不可调。

3、近年来，有机无机杂化钙钛矿材料由于其优异的光电特性被广泛应用于新型光电器件中。xu等人发现了基于ch3nh3pbi3薄膜的负微分电阻效应(acsappl.mater.interfaces 2018,10,21755-21763)，但是钙钛矿薄膜需要在惰性气氛下制备，而且必须将钙钛矿薄膜在空气中暴露7天之后才能观察到负微分电阻现象，只出现在正偏压下，并且峰谷电流比不可调，并且器件的峰谷电流比较低，约为4。

4、中国发明专利，授权公告号cn 114203902 b，发明名称为“一种利用钙钛矿微米晶实现室温下负微分电阻的方法”，该专利中利用ch3nh3pbbr3钙钛矿微米晶体实现了室温下的负微分电阻效应，但是该方法中需要使用镓铟合金针尖，制备条件要求苛刻，而且负微分电阻效应必须借助紫光照射，只出现在正偏压下，且峰谷电流比不可调。

5、因此，开发一种峰谷电流比可调且制备工艺简单的基于钙钛矿薄膜的负微分电阻器件成为一个重要的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于起始扫描电压大小控制的峰谷电流比可调节的负微分电阻器件及其应用，其制备工艺简单，负微分电阻易于实现且峰谷电流比可调节，对于发展钙钛矿功能器件具有重要的科学价值。本发明的器件无需在室温环境下暴露一定时间，可以直接实现负微分电阻效应，并且该器件的峰谷电流比高，通过控制电压扫描方向在正负偏压方向均表现稳定的负微分电阻效应，通过控制扫描起始电压大小可以调节器件的峰谷电流比，器件性能测试方法简单，易于应用。在正偏压范围内，当电压反向扫描时，器件表现出明显的负微分电阻效应，扫描起始电压分别为4v、3.5v、3v、2.5v、2v时，器件的峰谷电流比分别为27.4、13.2、13、7.8、1.3，在负偏压范围内，器件的i-v特性与正偏压下类似。当电压反向扫描时，器件同样表现出负微分电阻效应，扫描起始电压分别为-4v、-3.5v、-3v、-2.5v、-2v时，器件的峰谷电流比分别为255.3、207.7、206、198.3、64。

2、为了解决本发明的技术问题，提出的技术方案是：一种峰谷电流比可调节的负微分电阻器件，包括玻璃基底，玻璃基底之上依次为底电极、钙钛矿活性层、氧化物界面层和顶电极；所述底电极为透明导电玻璃ito；所述阻变层材料为ch3nh3pbi3薄膜；所述氧化物界面层为moo3，所述顶电极为au；其制备步骤如下：

3、(1)清洗ito

4、先将ito导电玻璃分别在去离子水，丙酮，酒精中超声30分钟，然后在uv清洗仪中用紫外光照射ito表面15～20分钟；

5、(2)配置钙钛矿前驱体溶液

6、按照1:1的摩尔比称取148.7mg碘化铅和51.3mg碘甲胺，混合溶解在1ml醋酸甲胺溶液中，然后在60℃下搅拌2小时，配制成浓度为200mg/ml的钙钛矿前驱体溶液；

7、(3)制备钙钛矿薄膜

8、在空气环境下，将步骤(1)中的ito基底加热到90～100℃，使用移液枪量取步骤(2)中的钙钛矿前驱体溶液旋涂在ito表面，旋涂仪转速设置为3000～4000rpm，时间为20s，然后在90～100℃退火5min，得到致密的钙钛矿活性层；

9、(4)制备氧化物薄膜

10、将步骤(3)中的基片置于真空蒸镀设备中，利用真空蒸镀法和掩膜板在钙钛矿薄膜表面沉积厚度为10nm的moo3薄膜层；

11、(5)制备顶电极

12、在真空蒸镀设备中继续在步骤(4)的基片表面沉积宽度为2.5mm，厚度为100nm的条状阵列au电极，得到交叉状结构的器件。

13、优选的，所述底电极为透明导电玻璃ito，其厚度为200nm，其形状为条状，宽度为2mm；所述活性层材料为ch3nh3pbi3薄膜，厚度为200～300nm，其形状为矩形，边长为12mm；所述氧化物薄膜层材料为moo3薄膜，其形状与钙钛矿活性层相同，厚度为10nm；所述顶电极为au，其厚度为100nm，其形状为条状阵列，宽度为2.5mm。

14、优选的，其中步骤(4)中，利用真空蒸镀法和掩膜板在钙钛矿薄膜表面沉积厚度为10nm的moo3薄膜层。

15、优选的，对上述器件利用精密源表keithley 2400进行性能测试，底电极ito接电源正极，顶电极au接电源负极，在正偏压范围内，当电压反向扫描时，器件表现出明显的负微分电阻效应，扫描起始电压分别为4v、3.5v、3v、2.5v、2v时，器件的峰谷电流比分别为27.4、13.2、13、7.8、1.3，当电压反向扫描时，器件同样表现出负微分电阻效应，扫描起始电压分别为-4v、-3.5v、-3v、-2.5v、-2v时，器件的峰谷电流比分别为255.3、207.7、206、198.3、64，但是无论是在正偏压还是负偏压下，当器件从0v开始扫描时，均没有负微分电阻现象出现。

16、为了解决本发明的技术问题，提出的另一技术方案是：所述的峰谷电流比可调节的负微分电阻器件的应用，器件的负微分电阻效应可以通过调节电压扫描的方向来实现，并且控制调节起始扫描电压的大小，可以调节器件的峰谷电流比；所述峰谷电流比可调节的负微分电阻器件可以应用于存储器、逻辑电路，实现不同开关比的功能器件。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于:

18、(1)本发明采用一步溶液法在空气中制备钙钛矿薄膜的工艺，获得了结构致密，晶粒尺寸可达500nm的ch3nh3pbi3薄膜。克服了传统工艺制备钙钛矿薄膜必须在无水无氧环境中滴加反溶剂操作的难题，使用的醋酸甲胺离子液体溶剂无毒，简化了工艺流程，绿色环保。

19、(2)本发明的器件无需在室温环境下暴露一定时间，就可以直接实现负微分电阻效应，通过控制电压扫描方向在正负偏压方向均表现稳定的负微分电阻效应，通过控制扫描起始电压大小可以调节器件的峰谷电流比，器件性能测试方法简单，易于应用。

20、(3)与实施例1相比，顶电极由实施例1的au替换为实施例2的al电极，同等电压下器件的电流要小。扫描起始电压分别为4.5v、4v、3.5v、3v时，器件的峰谷电流比分别为28、23.3、12.3、4.7，比实施例1中的峰谷电流比要小，如图6所示。

21、对比例1中，对上述器件利用精密源表keithley 2400进行性能测试，底电极ito接电源正极，顶电极au接电源负极。在正偏压范围内，当电压反向扫描时，由于没有moo3界面层，器件的电流明显降低，未表现出明显的负微分电阻现象。

22、将实施例1、实施例2、对比例1进行比较，可知金属电极以及moo3氧化物界面层对器件的峰谷电流比以及负微分电阻现象的产生有一定的影响，实施例1中的器件表现出最优的性能。

23、(4)本发明的实施例1可以看出，对上述器件利用精密源表keithley 2400进行性能测试，底电极ito接电源正极，顶电极au接电源负极。在正偏压范围内，当电压反向扫描时，器件表现出明显的负微分电阻效应，扫描起始电压分别为4v、3.5v、3v、2.5v、2v时，器件的峰谷电流比分别为27.4、13.2、13、7.8、1.3，如图3所示。在负偏压范围内，器件的i-v特性与正偏压下类似。当电压反向扫描时，器件同样表现出负微分电阻效应，扫描起始电压分别为-4v、-3.5v、-3v、-2.5v、-2v时，器件的峰谷电流比分别为255.3、207.7、206、198.3、64，如图4所示。但是无论是在正偏压还是负偏压下，当器件从0v开始扫描时，均没有负微分电阻现象出现，如图5所示。该器件的峰谷电流比现有技术高很多。

24、因此，基于钙钛矿的负微分电阻效应可以通过调节电压扫描的方向来实现，并且控制调节起始扫描电压的大小，可以调节器件的峰谷电流比，这种现象在现有资料中未见报道。基于峰谷电流比可调节的负微分电阻器件，可以应用于存储器、逻辑电路等领域，实现不同开关比的功能器件，拓展负微分电阻的功能应用。