一種電阻開(kāi)關(guān)性能可通過(guò)力學(xué)載荷調(diào)控的plt薄膜及其制備方法
【專利說(shuō)明】一種電阻開(kāi)關(guān)性能可通過(guò)力學(xué)載荷調(diào)控的PLT薄膜及其制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及電阻開(kāi)關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種電阻開(kāi)關(guān)性能可通過(guò)力學(xué)載荷調(diào)控的PLT薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著信息產(chǎn)生的發(fā)展，電子產(chǎn)品的性能與集成度在不斷地提高。由于產(chǎn)品功能的復(fù)雜化，需要不斷地提高存儲(chǔ)密度。因而，有必要研究體積小、耗能低、容量大、速度快以及性能可調(diào)的存儲(chǔ)器件。在存儲(chǔ)器中，阻變存儲(chǔ)器具有非揮發(fā)性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、擦寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，使其得到了廣泛的關(guān)注與研究。阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理基于電阻開(kāi)關(guān)效應(yīng)，即通過(guò)施加電壓，材料的電阻可以在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換。材料的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)換到低阻態(tài)的過(guò)程稱為Set過(guò)程，其電阻跳變時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓為Set電壓；材料的電阻從低阻態(tài)轉(zhuǎn)換到高阻態(tài)的過(guò)程稱為Reset過(guò)程，其電阻跳變時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓為Reset電壓。目前已經(jīng)報(bào)道了很多種類的阻變材料，其中鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料(如:SrTi03、BiFeO^)和過(guò)渡金屬氧化物材料(如:Ti02、ZnO)的研究最為廣泛。
[0004]對(duì)于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料，其結(jié)構(gòu)通式為ABX3，其中A和B為金屬，X 一般為氧或鹵族元素。研究發(fā)現(xiàn)，許多鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料中存在電阻開(kāi)關(guān)現(xiàn)象。此外，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料可能還具有鐵電、壓電、撓曲電等效應(yīng)。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)具有如此豐富的性能，也增加了鈣鈦礦材料性能的控制手段，如:電場(chǎng)、力學(xué)加載等。研究表明，在化學(xué)成份相近的Ph.Lajii V403(^=0.05)鈣鈦礦薄膜中具有鐵電性、壓電性及電阻開(kāi)關(guān)等特性，但其電阻開(kāi)關(guān)特性并不十分穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)晶良好、質(zhì)密度高的PLT薄膜及其制備方法，該發(fā)明采用的原料簡(jiǎn)單，操作方便，薄膜結(jié)晶良好，薄膜具有良好的電阻開(kāi)關(guān)性能，并且可通過(guò)力學(xué)加載對(duì)薄膜的電阻開(kāi)關(guān)性能進(jìn)行調(diào)控。
[0006]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種PLT薄膜，其結(jié)構(gòu)式如下所示:
Pbj JLaxTi1 V403, χ=.1%。
[0007]上述PLT薄膜的溶膠-凝膠旋涂制備方法，包括如下步驟:
(1)清洗Pt(200nm) \Ti (50nm) \ Si02(500nm) \Si襯底:將襯底放置于丙酮:異丙醇:去離子水體積比為1:1:1的混合液中，超聲清洗；再用去離子水超聲清洗；用高純氮?dú)獯蹈梢r底；
(2)取三水合醋酸鉛溶于冰醋酸中，磁力攪拌器上110°C恒溫?cái)嚢柚猎厦撍?；冷卻后緩慢加入鈦酸四丁酯，在磁力攪拌器上攪拌均勻得到溶液1 ;取硝酸鑭溶于乙二醇甲醚中，磁力攪拌器上60°C恒溫?cái)嚢杈鶆虿⒗鋮s得到溶液2 ;將溶液1緩慢加入溶液2中，充分?jǐn)嚢璨㈥惢?4h得到前驅(qū)體；
(3)將清洗好的襯底放置于勻膠機(jī)吸盤上并吸片，前驅(qū)體通過(guò)0.22 μm的過(guò)濾頭過(guò)濾后滴到400r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)的襯底上，而后轉(zhuǎn)速增至4000r/min保持30s ；
(4)將通過(guò)步驟3制備的濕膜樣品放置于管式爐中，在400°C下預(yù)燒5min，除去其中的有機(jī)溶劑；
(5)重復(fù)步驟3、4可制備得到所需厚度的薄膜，將薄膜放置于管式爐中，在700°C以及大氣氛圍下退火lh，以使薄膜結(jié)晶，而后隨爐冷卻至室溫；
(6)在PLT薄膜上放置多孔掩模板，使用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)在薄膜上制備得到厚度為20nm的Pt頂電極陣列。
[0008]在上述制備過(guò)程中，襯底清洗、前驅(qū)體制備、勻膠、預(yù)燒和退火均在萬(wàn)級(jí)潔凈間中完成，溫度為23.5°C，濕度不超過(guò)60%。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
1、本發(fā)明采用三水合醋酸鉛、水合硝酸鑭、鈦酸四丁酯作原料，乙二醇甲醚為溶劑，冰醋酸為催化劑，原料簡(jiǎn)單。
[0010]2、本發(fā)明制備得到的PLT薄膜結(jié)晶性良好，表面致密平整。
[0011]3、本發(fā)明制備得到的PLT薄膜具有良好的電阻開(kāi)關(guān)性能。在無(wú)力學(xué)加載的測(cè)試中，Set過(guò)程主要分布在13~15V的電壓區(qū)間內(nèi)，Reset過(guò)程主要分布在-0.7—1.3V的電壓區(qū)間內(nèi)，Set及Reset電壓范圍小且電阻開(kāi)關(guān)過(guò)程穩(wěn)定。
[0012]4、本發(fā)明制備得到的PLT薄膜可通過(guò)力學(xué)加載對(duì)薄膜的電阻開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行調(diào)控。在應(yīng)力載荷為0.04N的條件下，Set電壓整體明顯減小，Reset電壓整體亦有少許減小，Set過(guò)程主要分布在1~5V的電壓區(qū)間內(nèi)，Reset過(guò)程主要分布在-0.5~_1V的電壓區(qū)間內(nèi)；當(dāng)應(yīng)力載荷增加至0.08N，Set與Reset電壓進(jìn)一步減小，尤其是Set電壓，主要分布區(qū)間減小到
0.9-1.7V。
[0013]
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明所得PLT薄膜的XRD圖譜。
[0015]圖2為本發(fā)明所得PLT薄膜的SEM (a)表面形貌圖，(b)斷面形貌圖。
[0016]圖3為本發(fā)明所得PLT薄膜不同應(yīng)力載荷下20次測(cè)試結(jié)果的電阻開(kāi)關(guān)I_V曲線。(a) ON, (b) 0.04N，(c) 0.08N。
[0017]圖4為本發(fā)明所得PLT薄膜不同應(yīng)力載荷下20次測(cè)試結(jié)果的Set與Reset電壓分布。(a) ON，(b) 0.04N，(c) 0.08N。
[0018]
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1:
1)將襯底放置于丙酮、異丙醇、去離子水各10ml (體積比丙酮:異丙醇:去離子水為1:1:1)的混合液中，超聲清洗5分鐘；再用去離子水超聲清洗1分鐘；用高純氮?dú)獯蹈梢r底。
[0020]2)取5mmol三水合醋酸鉛溶于10ml冰醋酸中，磁力攪拌器上110°C恒溫?cái)嚢柚猎厦撍?。冷卻后緩慢加入5mmol鈦酸四丁酯，攪拌至第一種溶液均勻。
[0021]3)取0.lmmol硝酸鑭溶于10ml乙二醇甲醚中，磁力攪拌器上60°C恒溫?cái)嚢柚恋谝?種洛液均勾并冷卻。
[0022]4)將第一種溶液緩慢加入第二種溶液中，充分?jǐn)嚢璨㈥惢?4h得到前驅(qū)體。
[0023]5)用2ml注射器吸入前驅(qū)體，并在注射器頭部安上0.22 μ m的過(guò)濾頭。
[0024]6)將步驟1所得的襯底旋轉(zhuǎn)于勻膠機(jī)上并吸片，前驅(qū)體通過(guò)過(guò)濾頭過(guò)濾后滴到400r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)的襯底上分散均勾。
[0025]7)轉(zhuǎn)速以2000r/(min.s)的加速度加速至4000r/min，保持30s。
[0026]8)將步驟7所得的濕膜樣品在400°C下預(yù)燒5min以使有機(jī)溶劑揮發(fā)。
[0027]9)重復(fù)步驟6、7、8數(shù)次以制備得到所需厚度的薄膜。
[0028]10)將薄膜樣品放置于電子束蒸發(fā)樣品托上，在樣品上放置具有多孔結(jié)構(gòu)(孔洞直徑0.3_，行列間距1_)的掩模板，使用壓片將掩模板連同樣品壓緊。將樣品托安裝至電子束蒸發(fā)系統(tǒng)，調(diào)整參數(shù)在薄膜樣品上蒸鍍20nm的Pt電極。
[0029]11)將樣品放置于測(cè)試臺(tái)上，一個(gè)探針與襯底上的Pt底電極接觸，另一探針與薄膜上的Pt頂電極接觸。且與頂電極接觸的探針與應(yīng)力傳感器連接，可以調(diào)整探針的高度對(duì)樣品施加不同大小的應(yīng)力載荷，并且應(yīng)力載荷的大小可以通過(guò)應(yīng)力傳感器探測(cè)到。
[0030]12)兩條探針的另外一端與半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)Keithley 4200相應(yīng)的端口連接，從而形成回路，可以通過(guò)半導(dǎo)體特性分析儀Keithley 4200在底電極與頂電極間施加電壓并測(cè)量得到電流。
[0031]13)設(shè)置一個(gè)大的正向電壓掃描范圍，以0.05V的步長(zhǎng)進(jìn)行電壓掃描，限制電流為10 4A。運(yùn)行過(guò)程中，測(cè)量電流值有個(gè)大的突變時(shí)停止測(cè)量程序。
[0032]14)設(shè)置一個(gè)小的反向電壓掃描范圍，以0.05V的步長(zhǎng)進(jìn)行電壓掃描，限制電流為
0.0lAo運(yùn)行過(guò)程中，測(cè)量電流值從一個(gè)很大的值跳變到很小后停止測(cè)量程序。
[0033]15)重復(fù)13、14多次后薄膜的電阻開(kāi)關(guān)特性相對(duì)穩(wěn)定后，設(shè)定一個(gè)合適的Set電壓和Reset電壓，進(jìn)行電阻開(kāi)關(guān)循環(huán)測(cè)試。
[0034]16)改變薄膜的應(yīng)力載荷，進(jìn)行相應(yīng)的電阻開(kāi)關(guān)測(cè)試。圖1為本發(fā)明所得PLT薄膜的XRD圖譜；從XRD圖譜可以得到，除襯底峰后僅有PLT的衍射峰，表明本發(fā)明制備得到了純相PLT薄膜；尖銳的XRD衍射峰表明薄膜結(jié)晶性良好。
[0035]圖2為本發(fā)明所得PLT薄膜的SEM (a)表面形貌圖，(b)斷面形貌圖；從SEM表面形貌圖可以看到制備得到的PLT薄膜晶粒平均尺寸約為70nm，表面致密平整；斷面形貌圖表面PLT薄膜的厚度約為400nm。
[0036]圖3為本發(fā)明所得PLT薄膜不同應(yīng)力載荷下20次測(cè)試結(jié)果的電阻開(kāi)關(guān)I_V曲線。(a) ON, (b)0.04N，(c)0.08N。圖4為本發(fā)明所得PLT薄膜不同應(yīng)力載荷下20次測(cè)試結(jié)果的Set與Reset電壓分布。(a) ON，(b) 0.04N，(c) 0.08N。從附圖可知，在應(yīng)力載荷為
0.04N的條件下，Set電壓整體明顯減小，Reset電壓整體亦有少許減小，Set過(guò)程主要分布在1~5V的電壓區(qū)間內(nèi)，Reset過(guò)程主要分布在-0.5~_1V的電壓區(qū)間內(nèi)；當(dāng)應(yīng)力載荷增加至
0.08N，Set與Reset電壓進(jìn)一步減小，尤其是Set電壓，主要分布區(qū)間減小到0.9-1.7V。本發(fā)明制備得到的PLT薄膜具有良好的電阻開(kāi)關(guān)性能，且其電阻開(kāi)關(guān)性能可通過(guò)力學(xué)加載進(jìn)行調(diào)控。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種PLT薄膜，其結(jié)構(gòu)式如下所示: Pbj JLaxTi1 V403, χ=.1%。2.—種PLT薄膜的溶膠-凝膠旋涂制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)清洗Pt(200nm) \Ti (50nm) \ Si02(500nm) \Si襯底:將襯底放置于丙酮:異丙醇:去離子水體積比為1:1:1的混合液中，超聲清洗；再用去離子水超聲清洗；用高純氮?dú)獯蹈梢r底； (2)取三水合醋酸鉛溶于冰醋酸中，磁力攪拌器上110°C恒溫?cái)嚢柚猎厦撍?；冷卻后緩慢加入鈦酸四丁酯，在磁力攪拌器上攪拌均勻得到溶液1 ;取硝酸鑭溶于乙二醇甲醚中，磁力攪拌器上60°C恒溫?cái)嚢杈鶆虿⒗鋮s得到溶液2 ;將溶液1緩慢加入溶液2中，充分?jǐn)嚢璨㈥惢?4h得到前驅(qū)體； (3)將清洗好的襯底放置于勻膠機(jī)吸盤上并吸片，前驅(qū)體通過(guò)0.22 μm的過(guò)濾頭過(guò)濾后滴到400r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)的襯底上，而后轉(zhuǎn)速增至4000r/min保持30s ； (4)將通過(guò)步驟3制備的濕膜樣品放置于管式爐中，在400°C下預(yù)燒5min，除去其中的有機(jī)溶劑； (5)重復(fù)步驟3、4可制備得到所需厚度的薄膜，將薄膜放置于管式爐中，在700°C以及大氣氛圍下退火lh，以使薄膜結(jié)晶，而后隨爐冷卻至室溫； (6)在PLT薄膜上放置多孔掩模板，使用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)在薄膜上制備得到厚度為20nm的Pt頂電極陣列。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種電阻開(kāi)關(guān)性能可通過(guò)力學(xué)載荷調(diào)控的PLT薄膜及其制備方法。PLT薄膜其結(jié)構(gòu)式如下所示：Pb1-<i>x</i>La<i>x</i>Ti1-<i>x</i>/4O3，<i>x</i>=2%。制備方法包括如下步驟：（1）清洗Pt(200nm)\Ti(50nm)\SiO2(500nm)\Si襯底；（2）取三水合醋酸鉛溶于冰醋酸中，加入鈦酸四丁酯得到溶液1；取硝酸鑭溶于乙二醇甲醚中，攪拌均勻冷卻得到溶液2；將溶液1加入溶液2中得到前驅(qū)體；（3）前驅(qū)體通過(guò)0.22μm的過(guò)濾頭過(guò)濾后滴到400r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)的襯底上；（4）將濕膜樣品放置于管式爐中，預(yù)燒，除去有機(jī)溶劑；（5）重復(fù)步驟3、4得到薄膜；（6）在PLT薄膜上放置多孔掩模板，使用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)在薄膜上制備得到厚度為20nm的Pt頂電極陣列。本發(fā)明的原料簡(jiǎn)單，PLT薄膜結(jié)晶性良好，表面致密平整，具有良好的電阻開(kāi)關(guān)性能。
【IPC分類】H01L45/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105428530
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510953051
【發(fā)明人】鄭躍, 熊偉明, 王瑩, 姜格蕾, 張惠艷, 陳云
【申請(qǐng)人】中山大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年12月17日