CN109545961A - 一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，该方法包括如下步骤：S1：制备MXene粉末与去离子水的混合溶液：S2：制备底电极：采用磁控溅射法在硅片上沉积底电极铜；S3：制备二维材料层：将S2步骤得到的硅片放在甩胶机上设置转速，将S1步骤获得的混合溶液均匀滴在硅片上，MXene混合液均匀甩在底电极铜上；S4：制备顶电极：将掩模版贴在S3步骤得到的硅片上，采用磁控溅射法在二维材料层上沉积顶电极铜，获得基于二维材料MXene的阻变开关。本技术方案首次将新型二维材料MXene引入类脑器件领域，在本发明结构中作为阻变层，在外加电压刺激下能够使金属离子在其缺陷中形成导电细丝从而实现器件的打开。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，属于类脑技术领域。
背景技术
人脑被认为是一种卓越的复杂信息的存储和处理系统，具有优越的记忆、学习和识别能力，并具有约1011个神经元和1015个突触。人们总是梦想拥有一台类似人脑的计算机具有处理信息和学习功能，而实现它的关键是突触的模拟。
然而，现有的模拟突触电路需要大量的电路元件，如晶体管，在集成电路中占用大量空间，大量的电路元件导致了需要很大的功耗，所以人工神经网络的结构密度不能与大脑神经网络密度相匹配。
近几年，一种新型的二维材料MXene逐渐被人们发现，由于具有不同寻常的结构和性能，MXene成为了一种非常有吸引力的二维(2D)材料。MXene以层状的二维结构使其能够表面能悬挂含氧的官能团，可以给其带来许多出色的性质，例如良好的导电性，充当超级电容等。据研究报道，MXene层与层之间允许不同大小的离子插入，所以把MXene引入器件中的阻变层，充当导通细丝生长的介质，同时期待MXene在阻变器件领域能带来优秀的器件性能。
发明内容
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的类脑阻变开关的制备方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1：制备MXene与去离子水的混合溶液：称取MXene粉末与去离子水置入离心管内，手摇离心管5-10分钟，待溶液与MXene充分混合；
S2：制备底电极：采用磁控溅射法在硅片上沉积底电极铜；
S3：制备二维材料层：将S2步骤得到的硅片放在甩胶机上，设置转速，将S1步骤获得的MXene与水的混合溶液均匀滴在硅片上，MXene混合液均匀甩在底电极铜上；
S4：制备顶电极：将掩模版贴在S3步骤得到的硅片上，采用磁控溅射法在二维材料层上沉积顶电极铜，即获得基于二维材料MXene的阻变开关。
优选地，在所述S1步骤中，MXene与去离子水的质量比是1∶30，所述MXene粉末的重量为0.2-0.3g，所述去离子水的重量为6-8ml。
优选地，在所述S2步骤中，所述底电极采用铜、铁或银中的一种。
优选地，在所述S4步骤中，所述顶电极采用铜、铁或银中的一种。
优选地，所述顶电极与底电极的厚度均为80～100nm。
优选地，在所述S2步骤中，在厚度为350um的硅片上，利用磁控溅射法在硅片上镀一层厚度为80nm的铜薄膜，该一整层铜薄膜作为底电极。
优选地，在所述S3步骤中，所述甩胶机的转速设置为：0～10秒，1000转/分钟、10～130秒，3500转/分钟、130～140秒，1000转每分钟。
优选地，所述甩胶机的转速在0～10秒内，用滴管吸取配比MXene溶液的中上部上清液，滴在硅片中心位置，在140秒后，MXene均匀地旋涂在了铜薄膜上，待硅片烘干之后，完成第二层的二维材料MXene的涂层。
优选地，所述阻变开关上具有铜电极/MXene/铜电极的结构。
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：
本发明与现有传统类脑器件相比工作阈值电压更低。本发明实现的多工作区多阻态对于实现打破冯·诺依曼二进制体系有一定的价值。本发明与现有的大多数非易失性阻变器件相比丰富了阻变器件的种类，同时对人脑遗忘和短时记忆有一定指导意义。
本技术方案首次将新型二维材料MXene引入类脑器件领域，在本发明结构中作为阻变层，在外加电压刺激下，能够使金属离子在其缺陷中形成导电细丝，从而实现器件的打开。在类脑特性方面，刺激脉冲能实现短时可塑性，有效模拟了模拟突触的前后两端的信息传递的过程。
附图说明
图1为本发明一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法的制作流程图；
图2为本发明类脑阻变开关测试示意图。
图3为本发明类脑阻变开关的IV特性图。
图4为本发明的实现流程图。
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。
本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中涉及到的材料MXene是一种新型二维材料。本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关的制备流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明揭示了一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1：制备MXene与去离子水的混合溶液：称取一定量MXene粉末与一定量的去离子水置入离心管内，手摇离心管5-10分钟，待溶液与MXene充分混合；具体地，在本技术方案中，称取0.2-0.3gMXene粉末与6-8ml去离子水置入离心管内。
S2：制备底电极：采用磁控溅射法在硅片上沉积底电极铜；
S3：制备二维材料层：将S2步骤得到的硅片放在甩胶机上，设置转速，将S1步骤获得的MXene与水的混合溶液均匀滴在硅片上，MXene混合液均匀甩在底电极铜上；
S4：制备顶电极：将掩模版贴在S3步骤得到的硅片上，采用磁控溅射法在二维材料层上沉积顶电极铜，即获得基于二维材料MXene的阻变开关。本技术方案中使用的MXene是Ti3C2。
MXene的通式是Mn+1XnTx，n＝1-3，其中M是过渡金属，例如Ti、V、Nb、Mo等元素，X是C或N元素，而T代表化学基团，例如-OH、-O、-Cl和-F，本发明中使用的MXene的化学式为Ti3C2。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
具体地，该方法首先是在厚度为350um的硅片上，利用磁控溅射法在硅片上镀一层厚度为80nm的铜薄膜，一整层铜薄膜作为底电极，如图1(a)所示。
接着，配比1∶30的MXene∶去离子水的溶液5ml，将镀好铜薄膜的硅片放在甩胶机上，设置甩胶机的转速。甩胶机的转速设置为：0-10秒，1000转/分钟、10-130秒，3500转/分钟、130-140秒，1000转每分钟。在0-10秒内，用滴管吸取配比MXene溶液的中上部上清液，滴在硅片中心位置，在140秒后，MXene均匀地旋涂在了铜薄膜上，待硅片烘干之后，完成第二层的二维材料MXene的涂层，第二层MXene作为示意图如图1(b)所示。选用离心管内的中上部上清液比较均匀
最后，是在第二层MXene材料上镀顶电极铜。首先将掩模版贴在MXene上，将其放入磁控溅射腔体内，镀一层100nm厚的铜，这样就形成了顶电极的形貌。如图所示的顶电极的尺寸为200x200um的正方形，每一小块正方形电极之间隔开，整体器件结构示意图如图1(c)所示。
在图1的制备过程中，制备的工艺简单，制备成本低，器件成品率高，实际硅片上的成品率可达到80％-90％。
下面描述对单个器件(阻变开关)的测试过程，底电极接地，顶电极接正电压。在反复的测试过程中，找到了该器件的合适的工作电压，输入直流的扫描电压，从0扫到0.75V，再从0.75V扫到-0.6V，最后从-0.6V扫到0V，实时测出扫描电压对应的电流大小，测试器件的示意图如图2所示。
图3是图2的测试结果IV特性曲线图，图3中横坐标是扫描电压，纵坐标是电流。从0-0.75V，随着扫描的电压逐渐增大，器件电流也逐渐增大，在0-0.7V之前，器件处于关闭的状态。在0.7V左右有一个突剧上升的过程，把这个称为器件打开的过程，为了防止器件的击穿，设置了50μA的限流，当器件到达限流之后，从0.75V到0V的过程中，在0.2V的位置有电流下降的过程，此时阻态处于一个低阻态的位置，器件仍处于一个打开的状态。不过在很短的时间内，这个器件“不会记住”这个阻值很长时间。铜在二维材料MXene中形成的导电细丝不会保持很长时间。在反向扫描的过程中，从0V到-0.6V过程中，器件已经变为关闭的高阻态状态，在-0.6V左右的位置，负向电流的电流值急剧增大，器件打开，同样作为保护器件，把反向限流设在了-50μA，-0.6V扫描到0V呈现一个低阻态的打开状态。在撤去刺激电压后，器件随自然时间恢复到高阻态的关闭状态。在反复扫描电压测试器件的过程中，发现器件有类脑特性，但由于导电细丝在阻变层MXene中的保持时间较短，具有易失性，所以称为类脑特性的阻变开关。从整体的测试过程看，本批器件的打开的工作电压在0.6-0.8V，随着持续的刺激，打开的工作电压逐渐减小。同时，在不同的扫描电压刺激下，器件的电阻呈现出不同的范围，比较明显的阻值变化有四个态，作为易失性的阻变开关，能实现四个阻态变化。
在本技术方案中，当该器件被刺激到一定程度，器件到达软击穿的状态，电阻此时是一个固定的低电阻的阻值，把这种现象称为“软击穿”。停止电压刺激后，根据刺激到软击穿的不同程度，器件从低阻态恢复到高阻态的时间不同，刺激时间越长，刺激程度越大，器件保持在低阻态的时间越长。这种从软击穿自然恢复到初始状态的现象，在用脉冲刺激后仍然能观察到这种现象，对模拟突触的刺激程度与遗忘的关系有重要的指导意义。
在上述IV电学特性的描述中，其中器件从高阻态的关闭状态到低阻态的打开过程，器件上的电流越来越大，最后到导通的低阻态打开状态，这一过程可以模拟生物突触当中的短时可塑性，并在较低的电压0.7V下就可以实现器件的工作，这大大降低了器件的功耗，对低功耗器件的研究也有一定的意义。在撤去两端刺激电压后，阻变开关从低阻态的打开状态恢复到高阻态的关闭状态，这一过程对模拟人脑的遗忘具有一定的指导价值。更是扩展了新型二维材料MXene在类脑器件方面的应用范围，并首次实现了MXene在类脑器件方面的应用。
在本发明中，制作器件的工艺方法步骤简单，制备成本低，器件成品率高，可重复性强，适合工业化生产。
在本发明中所制造出来的阻变开关能够实现在很小的电压刺激下打开，自然时间关闭，作为一种易失性的类脑器件，与传统储存器相比，比RRAM器件有较低的工作电压；与传统类脑器件(如忆阻器)相比，能够实现符合工业界标准的开关比同时拥有较低的功耗。在RRAM、闪存以及类脑器件领域都有较大的竞争力，同时制备步骤简单，成本较低，器件成品率高，适合工业化生产。
本发明所要解决的技术问题是如何将二维材料MXene应用于阻变器件的阻变层中，制作铜电极/MXene/铜电极的器件结构，以此来实现一种低功耗的多阻态易失性的阻变开关。本发明旨在通过二维材料MXene的应用来实现更高性能的易失性的类脑阻变开关，同时丰富了阻变器件的种类，作为易失性的阻变开关，在低功耗方面有较大优势，对于模拟人脑遗忘以及短时记忆有着重要的意义。同时在存储器方面，也能显著降低存储器的功耗。
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。
Claims (10)
1.一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
S1：制备MXene粉末与去离子水的混合溶液：称取MXene粉末与去离子水置入离心管内，手摇离心管5-10分钟，待去离子水溶液与MXene粉末充分混合；
S2：制备底电极：采用磁控溅射法在硅片上沉积底电极铜；
S3：制备二维材料层：将S2步骤得到的硅片放在甩胶机上，设置转速，将S1步骤获得的MXene粉末与水的混合溶液均匀滴在硅片上，MXene混合液均匀甩在底电极铜上；
S4：制备顶电极：将掩模版贴在S3步骤得到的硅片上，采用磁控溅射法在二维材料层上沉积顶电极铜，即获得基于二维材料MXene的阻变开关。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：在所述S1步骤中，MXene粉末与去离子水的质量比是1∶30，所述MXene粉末的重量为0.2-0.3g，所述去离子水的重量为6-8ml。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：在所述S1步骤中，MXene的通式是Mn+1XnTx，n＝1-3，其中M是过渡金属，为Ti、V、Nb、Mo元素，X是C或N元素，T代表化学基团，为-OH、-O、-Cl和-F。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：在所述S2步骤中，所述底电极采用铜、铁或银中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：在所述S4步骤中，所述顶电极采用铜、铁或银中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：所述顶电极与底电极的厚度均为g0～100nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：在所述S2步骤中，在厚度为350um的硅片上，利用磁控溅射法在硅片上镀一层厚度为80nm的铜薄膜，该一整层铜薄膜作为底电极。
8.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：在所述S3步骤中，所述甩胶机的转速设置为：0～10秒，1000转/分钟、10～130秒，3500转/分钟、130～140秒，1000转每分钟。
9.根据权利要求8所述的一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：所述甩胶机的转速在0～10秒内，用滴管吸取配比MXene溶液的中上部上清液，滴在硅片中心位置，在140秒后，MXene溶液均匀地旋涂在了铜薄膜上，待硅片烘干之后，完成第二层的二维材料MXene的涂层。
10.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法，其特征在于：所述阻变开关上具有铜电极/MXene/铜电极的结构。
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| CN201811363429.1A CN109545961A (zh) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | 一种基于二维材料的类脑阻变开关的制备方法 |
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Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110098326A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-06 | 湖北大学 | 一种二维Ti3C2-MXene薄膜材料及其制备方法和在阻变存储器中的应用 |
| CN110137352A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-16 | 湖北大学 | 一种基于Ti3C2-MXene薄膜功能层的选通器件及其制备方法 |
| CN110176538A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-27 | 湖北大学 | 一种基于二维Ti3C2-MXene薄膜材料的透明柔性阻变存储器及其制备方法 |
| CN110190184A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-08-30 | 西南交通大学 | 一种使用MXenes纳米材料作为介电层的忆阻器件制备方法 |
| CN111900250A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-11-06 | 南京邮电大学 | 一种基于二维过渡金属材料的忆阻器及其制备方法 |
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2018
- 2018-11-15 CN CN201811363429.1A patent/CN109545961A/zh not_active Withdrawn
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| CN112103388A (zh) * | 2020-09-23 | 2020-12-18 | 南开大学 | 一种基于Ti3C2-MXene/电解质结构的人工突触器件的制备方法 |
| CN112103388B (zh) * | 2020-09-23 | 2022-10-04 | 南开大学 | 一种基于Ti3C2-MXene/电解质结构的人工突触器件的制备方法 |
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| CN114836039A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-08-02 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种低电导率非磁性太赫兹屏蔽复合材料及其制备方法 |
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