一种基于a-TSC:O陶瓷薄膜的忆阻开关器件及其制备方法与流程

本发明属于光电器件技术领域，具体涉及一种基于a-tsc:o陶瓷薄膜的忆阻开关器件及其制备方法。

背景技术

忆阻器作为一种的新型非线性器件，已经受到研究者的广泛关注。到目前为止，ag，cu，au，pt以及w等材料都已被用作其电极材料；a-si，a-siox以及tio2等介质薄膜是忆阻开关器件常见的阻变层材料。近年来，国内外研究者基于各种电极和阻变层材料，已经构建和制备出了多种具有出色阻变功能的忆阻开关器件，使其成为下一代存储技术的宠儿。

ti3sic2是一种三元层状碳化物，是唯一含si元素的max相材料，同时具有陶瓷和金属的性能，可将其简称为tsc陶瓷材料。ti3sic2化合物结构上属于陶瓷材料，体现出陶瓷材料高熔点、高屈服强度和良好抗氧化、抗腐蚀性能以及抗热震性的特点。同时，ti3sic2化合物在电学、热学和力学性能上又像金属材料，具有高的导热性和电导率、较高的剪切模量和弹性模量、较低的硬度、良好的机械加工性能，并在高温时具有一定塑性。此外，由于ti3sic2特殊的层状结构，使得该材料具有良好的自润滑性能和损伤容限。

基于现有技术对ti3sic2的性能研究，并且因为ti3sic2兼具金属和陶瓷的优良性能，加上其良好的可加工型，在汽车、化工、国防工业等领域有着十分诱人的应用前景。ti3sic2的电导率大，比石墨的电导率约大两个数量级，同时具有超低磨擦性，摩擦因数比石墨的摩擦因数更低，而且具有良好的自润滑性能，因此有望代替石墨制作新一代交流电机的电刷。ti3sic2具有良好的耐腐蚀性、抗氧化性、超低摩擦性和自润滑性能，可以用作金属熔炼的电极材料。ti3sic2的高温强度、抗氧化性和抗热震性优于si3n4，可作为航空发动机的涡轮叶片和固定子的理想材料。ti3sic2的密度约为当前ni基高温合金密度的一般，而强度却为它们的2倍，且在1400℃高温下仍然具有非常好的力学性能，而且更易于切削加工，因此将有可能取代当前市场上最好的高温合金。ti3sic2的良好可加工性和自润滑性，使其可以替代传统的可加工陶瓷。ti3sic2很容易硅化和碳化，硅化可以使其表面硬度达到12gpa，碳化可可达25gpa，这种表面处理可提高材料的性能，且操作容易，加工成本低。综合上述内容可知，现有对于ti3sic2应用的发展、研究主要集中在高温结构材料、电极材料、可加工陶瓷材料、减摩构件材料和抗腐蚀保护层，未见其在光电领域应用的研究报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于tsc陶瓷薄膜的忆阻开关器件及其制备方法。本发明创新地发现氧化的非晶tsc陶瓷薄膜(a-tsc:o)具有良好阻变性能，并进一步发现非晶tsc陶瓷薄膜(a-tsc)具有近红外全透明特性，在此基础上构建得到一种具有近红外透明特性的忆阻开关器件。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提供一种基于a-tsc:o陶瓷薄膜的忆阻开关器件，所述忆阻开关器件自下而上为“底电极/第一阻变层/第二阻变层/顶电极”垂直四层结构，其特征在于：所述第一阻变层的材料为非晶氧化硅，所述第二阻变层的材料为氧化的非晶tsc，所述底电极的材料为ito薄膜。

进一步地，本发明中顶电极的材料选自非晶tsc、金属钨(w)或金属金(au)，为了使得本发明忆阻开关器件整体具有近红外透明特性，顶电极的材料优选为非晶tsc。

在上述方案基础上，近红外波段的范围为800nm～1200nm。

进一步地，本发明中顶电极的厚度50nm～200nm。

进一步地，本发明中底电极的厚度100nm～200nm。

进一步地，本发明中第一阻变层是基于pvd系统采用反应溅射制备得到的薄膜，其厚度为30nm～150nm。

进一步地，本发明中第二阻变层是基于pvd系统采用反应溅射制备得到的薄膜，其厚度为50nm～300nm。

本发明提供一种基于a-tsc:o陶瓷薄膜的忆阻开关器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a：准备洁净、干燥的ito玻片；

步骤b：在所述ito玻片的上表面沉积非晶氧化硅薄膜作为第一阻变层；

步骤c：利用直流反应溅射或者射频反应溅射法，在所述第一阻变层的上表面沉积氧化的非晶tsc陶瓷薄膜作为第二阻变层；

步骤d：在第二阻变层的上表面沉积顶电极。

进一步地，本发明步骤a中ito玻片中ito薄膜的厚度100nm～200nm。

进一步地，本发明步骤b中可以采用直流反应溅射或射频反应溅射制备非晶氧化硅薄膜，也可以采用任何合适的成膜方式制备非晶氧化硅薄膜；非晶氧化硅薄膜的厚度为30nm～150nm。

进一步地，本发明步骤c中直流溅射成膜工艺的参数如下：工作电流范围为0.20～0.35a，工作电压范围为360～475v，氩气压强为1.5pa～5pa，氩气流量为25～50sccm；射频溅射成膜工艺的参数如下：射频源功率为40w～200w，氩气压强为0.5pa～2.5pa，氩气流量为20sccm～40sccm，衬底加热温度25℃～200℃。

进一步地，本发明步骤d中顶电极的材料选自非晶tsc、金属钨(w)或金属金(au)。

进一步地，本发明步骤d中顶电极可以采用直流溅射或磁控溅射制备，也可以采用任何合适的成膜方式制备；顶电极的厚度50nm～200nm。

本发明的忆阻开关器件是建立在氧化的非晶tsc(a-tsc:o)陶瓷材料具有良好的阻变性能，即通过控制a-tsc:o的氧化程度，可实现a-tsc:o薄膜电阻性能的连续可调，而且，采用非晶氧化硅(a-siox)材料与a-tsc:o材料共同作为忆阻开关器件的双阻变层，a-siox能够提供氧空位迁移通道。具体工作原理是：当在器件顶电极与底电极之间施加正向电压时(电调制)，作为第二阻变层的a-tsc:o薄膜中的氧离子会在电场作用发生迁移，甚至移动到作为第一阻变层的siox薄膜中，使得忆阻器阻变层中氧离子的分布发生重组；当在器件顶电极与底电极之间施加反向电压时(电调制)，ito玻片还可以提供氧离子，促使已迁移到siox薄膜中的氧离子在电场作用下回到a-tsc:o薄膜中，可使忆阻器阻变层中氧离子的分布再次发生重组，从而实现电阻的非线性连续变化。基于上述原理，本发明构建得到ito玻片、“a-siox/a-tsc:o”双阻变层和顶电极构成的忆阻开关器件，并且由于a-tsc陶瓷薄膜具有近红外全透明特性，进一步将a-tsc陶瓷薄膜作为顶电极，ito玻片作为导电透明基片，可构建得到具有整体近红外全透明特性的忆阻开关器件。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

本发明在传统忆阻开关器件结构的基础上，创新提出基于a-tsc陶瓷材料的介质层结构(即阻变层)，拓宽了忆阻开关器件介质层材料的选择范围。由于a-tsc:o薄膜的阻变性能大范围可调节，并且a-siox薄膜透明且可提供氧缺位(即氧空穴)电迁移通道，因此使得a-tsc:o薄膜具备良好的阻变性能，可用作忆阻开关器件的介质层。并且，由于a-tsc陶瓷薄膜具有非常好的导电性以及近红外透过率，因此也可作为顶电极材料，与透明导电薄膜形成的顶电极共同构建近红外全透明忆阻开关器件。此外，本发明提出忆阻开关器件的制备工艺简单、成本低廉、可靠性高，有利于实现大规模生产。

附图说明

图1是本发明具体实施例1提供的忆阻开关器件的结构示意图，图中1为ito玻片，2为a-siox薄膜，3为a-tsc:o薄膜，4为a-tsc薄膜。

图2是本发明具体实施例1提供的忆阻开关器中a-tsc陶瓷薄膜的的透过率-波长图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行详细说明：

实施例1：

本实施例提供了一种忆阻开关器件，如图1所示，其结构自下而上依次为“ito玻片1、a-siox薄膜2、a-tsc:o薄膜3、a-tsc薄膜4”垂直四层结构，“a-siox薄膜2/a-tsc:o薄膜3”双层结构作为双阻层(即忆阻开关器件的介质层)。

本实施例提供了上述忆阻开关器件的制备方法，其制备工艺包括以下步骤：

步骤a：准备ito玻片1作为具有底电极的透明基片，并按标准工艺进行清洗和干燥处理；

步骤b：采用硅靶作为原料靶材，氧气和氩气作为工作气体，通过反应射频溅射在ito玻璃基片1上沉积a-siox薄膜2作为第一阻变层；

步骤c：采用ti3sic2多晶粉末作为原料靶材，氧气和氩气作为工作气体，通过反应射频溅射在a-siox薄膜2上沉积a-tsc:o薄膜3作为第二阻变层；本实施例是基于pvd系统，具体操作如下：

c1：靶材制备：

将ti3sic2粉体加入到去离子水中，搅拌均匀，得到ti3sic2分散液，然后将ti3sic2分散液放入直径90mm，厚度为3～4mm的铝托盘中，再将铝托盘置于120℃真空干燥箱中烘干24小时取出，基于上述操作制得直流溅射靶材，靶材在不使用时应当抽真空密封放置；

c2：装样：

打开pvd系统的腔体，将靶材和衬底放入真空溅射镀膜设备中；

c3：抽真空、溅射：

关闭pvd系统的腔体，自动抽真空达到5.5×10^-4pa，关闭抽速阀，设定氩气气体流量25sccm，电流0.3a，靶材起辉，预溅射之后，进行溅射，通过调节溅射时间来控制a-tsc薄膜的厚度，本实施例溅射时间为7分钟；

步骤d：采用ti3sic2多晶粉末作为原料靶材，氩气作为工作气体，通过射频溅射在a-tsc:o薄膜3上沉积本征a-tsc薄膜4作为顶电极，具体操作如下：

d1：靶材制备：

选择步骤c1制得的ti3sic2靶材，打开pvd系统的腔体，将靶材和衬底放入真空溅射镀膜设备中；

d2：装样：

打开pvd系统的腔体，将靶材和衬底放入真空溅射镀膜设备中；

d3：抽真空、溅射：

关闭pvd腔体，自动抽真空达到5.5×10^-4pa，关闭抽速阀，设定氩气气体流量20sccm，电流0.3a，靶材起辉，预溅射之后，进行溅射，通过调节溅射时间来控制a-tsc薄膜的厚度，本实施例溅射时间为3分钟；

进行a-tsc薄膜制备的操作时，选用石英衬底和k9玻璃基片在相同工艺条件下制备a-tsc薄膜，并测试基于石英衬底和k9玻璃基片制备得到的a-tsc薄膜的透过率，测试结果如图2所示。从图2中可看出，本发明ti3sic2陶瓷薄膜在800～2200nm光谱范围的透过率不低于80％，具有近红外波段全透明特性。

本发明忆阻开关器件的基本工作原理是：当在器件顶电极与底电极之间施加正向电压时(电调制)，作为第二阻变层的a-tsc:o薄膜3中的氧离子会在电场作用发生迁移，甚至移动到作为第一阻变层的siox薄膜2中，使得忆阻器阻变层中氧离子的分布发生重组；当在器件顶电极与底电极之间施加反向电压时(电调制)，ito玻片1还可以提供氧离子，促使已迁移到siox薄膜2中的氧离子在电场作用下回到a-tsc:o薄膜3中，可使忆阻器阻变层中氧离子的分布再次发生重组，从而实现电阻的非线性连续变化。

实施例2：

本实施例提供了一种忆阻开关器件的制备方法，其制备工艺包括以下步骤：

步骤a：准备k9玻璃基片作为透明基片，并按标准工艺进行清洗和干燥处理；然后在其上沉积ito薄膜作为底电极；

步骤b：采用晶体硅靶作为原料靶材，氧气和氩气作为工作气体，通过反应射频溅射在ito薄膜上沉积a-siox薄膜作为第一阻变层；

步骤c：采用ti3sic2多晶粉末作为原料靶材，氧气和氩气作为工作气体，通过反应射频溅射在a-siox薄膜上沉积a-tsc:o薄膜作为第二阻变层，具体操作如下：

c1：靶材制备：

将ti3sic2粉体加入到去离子水中，搅拌均匀，得到ti3sic2分散液，然后将ti3sic2分散液放入直径90mm，厚度为3～4mm的铝托盘中，再将铝托盘置于120℃真空干燥箱中烘干24小时取出，基于上述操作制得直流溅射靶材，靶材在不使用时应当抽真空密封放置；

c2：装样：

打开腔体，将靶材和衬底放入真空溅射镀膜设备中；

c3：抽真空、溅射：

关闭腔体，自动抽真空达到5.5×10^-4pa，关闭抽速阀，设定氩气气体流量30sccm，电流0.5a，靶材起辉，预溅射之后，进行溅射，通过调节溅射时间来控制a-tsc薄膜的厚度，本实施例溅射时间为7分钟；

步骤d：采用au靶作为原料靶材，氩气作为工作气体，通过射频溅射在a-tsc:o薄膜上沉积金属au薄膜作为顶电极，具体操作如下：

本实施例相比实施例1的区别在于，本实施例由于顶电极和底电极对于近红外光透过率低，导致器件整体上近红外光透明性下降，而实施例1由于a-tsc陶瓷薄膜具有近红外全透明特性，因此将a-tsc陶瓷薄膜作为顶电极，ito玻片作为导电透明基片，能使器件具有整体近红外全透明的特定。因此，本发明忆阻开关器件在用于近红外波段场合时应当根据实际需要选择合适的顶电极和底电极材料。

以上结合附图对本发明的具体实施进行了详细阐述，上述实施方式仅仅是示意性的，而非限制性的，本发明并不局限于上述具体实施方式。本领域普通技术人员在本发明的启示下，所做出不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的诸多变形均应属于本发明的保护。