基于二维材料MXenes的光电忆阻器及其制备方法与流程

基于二维材料mxenes的光电忆阻器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及忆阻器领域，具体涉及一种基于二维材料mxenes的用于光类脑计算的光电忆阻器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，人工智能(ai)在人类社会中存在感越来越强，在很大程度上改变了人类的生活方式。当前的人工智能主要是基于人工神经网络的深度学习算法和基于冯诺依曼体系的硬件架构，这有很大的局限性。
3.新兴的光类脑计算因为能够同时实现感知、存储、计算三种功能，得到了越来越多的研究兴趣。作为光控人工神经形态计算系统的核心元件，光电忆阻器在传感、记忆和神经形态计算的集成方面显示出巨大的潜力。因此，研究光电忆阻器是人工智能系统发展的迫切需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种基于二维材料mxenes的用于光类脑计算的光电忆阻器的设计及制备方法，该光电忆阻器的导电性和稳定性好，阻态更稳定，可用于多值存储，逻辑运算，可以实现光电两种模式刺激调节，具有广阔的应用前景。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种基于二维材料mxenes的光电忆阻器，所述光电忆阻器由下至上包括衬底、底电极、光阻变层和顶电极，所述光阻变层的上表面与下表面分别与顶电极和底电极相触接，所述光阻变层为二维mxenes材料层。
6.可选地，所述顶电极与所述底电极的厚度均为50-500nm。
7.可选地，所述顶电极为透明电极ito，所述底电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的至少一种。
8.可选地，所述衬底为si衬底，或者sio2/si衬底。
9.本发明还提供了一种基于mxenes材料的光电忆阻阵列器件的制备方法，所述制备方法包括：
10.步骤1，制备二维材料mxenes溶液；步骤2，在衬底上制备底电极阵列；步骤3，旋涂二维材料mxenes；步骤4，制备顶电极阵列；所述底电极阵列和顶电极阵列呈交叉分布，二维材料mxenes作为光阻变层设置于底电极阵列和顶电极阵列的交叉点上。
11.可选地，所述顶电极与所述底电极的厚度均为50-500nm。
12.可选地，所述顶电极为透明电极ito，所述底电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的至少一种。
13.可选地，所述衬底为si衬底，或者sio2/si衬底。
14.可选地，制备二维材料mxenes溶液所用的溶剂为二甲基亚砜。
15.本发明的有益效果在于：
16.本发明把二维材料mxene材料引入光电忆阻器件的阻变层，同时作为光阻变层和
电阻变层，mxene材料表面的光响应的依赖于表面的等离子辅助的热载流子，可以形成光响应电流。同时，mxene在不同波长的光的照射下，能实现功函数的调节，从而实现多比特(bit)存储忆阻器的设计。同时，mxene光电忆阻器，在扫描电压的刺激下，可以实现导电细丝的快速稳定的通断。本发明创新地提出了用mxene材料做光电忆阻器的阻变层，可以实现光电忆阻器的双调控，可以不同波长的电压，实现光多态忆阻器的发展，为mxene材料在光电忆阻器的发展奠定了基础，推动了光类脑计算的进一步发展。且本发明的制备方法简单、高效，成本低，可广泛用于工业生产。
附图说明
17.图1是本发明提出的基于mxenes材料的光电忆阻器的结构示意图；
18.图2是基于mxenes材料的光电忆阻阵列器件的制备流程图；
19.图3是基于mxenes材料的光电忆阻阵列器件的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。
21.如图1所示，本发明提出一种基于mxenes材料的光电忆阻器，其结构如图1所示。光电忆阻器由下至上包括衬底11、底电极12、光阻变层13和顶电极14，光阻变层13的上表面与下表面分别与顶电极14和底电极12相触接。其中，光阻变层13为二维mxenes材料层，该器件在光的刺激能够产生光生电流，并且在不同波长光的照射，能够实现多比特的存储。
22.可选的，衬底11可以为si衬底，也可以为sio2/si衬底。
23.在一个实施例中，顶电极14与底电极12的厚度均为50-500nm。优选地，顶电极14和底电极12的厚度为100nm。顶电极14为透明电极ito(氧化铟锡)；底电极12为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的至少一种。
24.本发明还提供了基于mxenes材料的光电忆阻阵列器件的具体制备步骤，如图2所示：
25.步骤1，制备二维材料mxene溶液备用(该步骤未图示)。具体的，将mxene ti3c2用二甲基亚砜溶解，浓度为10mg/ml。
26.步骤2，底电极溅射。具体的，真空环境下，将衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取银材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积底电极，底电极均匀覆盖在衬底上表面。其中，底电极是根据事先设计好的阵列要求设置的，且底电极的厚度为50-500nm，优选的为100nm。
27.步骤3，光阻变层旋涂。具体的，吸取mxene悬浊液的上层浊清液，将mxene悬浊液的上层浊清液，滴涂至底电极上，采用甩胶机均匀地旋涂1min-3min，所述甩胶机的转速为1500r/min，由于mxenes材料的自组装效应，能够形成均匀的mxene材料膜。
28.步骤4，顶电极溅射。具体的，将步骤3制得的阻变层固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，以ito材料作为溅射源，并溅射沉积得到顶电极。其中，顶电极同样是根据事先设计好的阵列要求设置的，且顶电极的厚度为50-500nm，优选的为100nm。
29.图3是制备得到的基于mxenes材料的光电忆阻阵列器件的结构示意图，包括交叉
分布的底电极阵列和顶电极阵列，光阻变层设置于底电极阵列和顶电极阵列的交叉点上。
30.在得到忆阻器器件后，对忆阻器器件透明电极进行光的照射，分析忆阻器不同光照的条件下的i-v特性。对忆阻器件施加直流电压时，将顶电极接电源正极同时将底电极接地并对其施加电压；当施加正电压时，电压从0v扫到设定的正电压再从设定的正电压扫回到0v，在这个过程中，忆阻器件的介质层受电压激励而发生电阻转变效应。此外，还进行了不同波长的光波刺激，分析在不同波长的波刺激下，不同组态的阻变机制。
31.下面对本发明中二维mxenes材料可用来做光阻变层的机理进行说明。
32.在加光的情况下，mxenes材料表面的光响应依赖于表面的等离子辅助的热载流子，从而产生光生电荷和光生空穴，从而促进光生载流子的流动，可以形成光响应电流。同时在不同波长光的照射下，可以改变mxenes材料的功函数，实现mxenes材料功函数的可逆调节。功函数的改变，可以调节肖特基结的状态，实现不同波长光的多阻态变化，也可以在电的刺激下实现多比特存储，使数据密度得到提高。
33.此外，还研究了忆阻器件的稳定性。忆阻器件开启，由高阻态转变为低阻态，即set过程，此时保存下的电压电流数据可测得set过程对应的i-v曲线；reset过程中将电压从0v扫到设定的负电压再从设定负电压扫到0v，此过程中忆阻器件受反向电压刺激而从低阻态转变回高阻态，同样可测得对应的i-v曲线。结果显示忆阻器件的i-v曲线形态一致性好，表明其性能稳定。
34.本发明采用光-电混合调控的方式，利用二维mxenes材料的光电效应机制，除了电调控作用下的电阻态之外，在引入光调控之后会出现新的电阻态，使得数据存储密度得以提高，极大地提高了光电忆阻器的工作模式和工作效率。
35.以上结合具体实施例描述了本发明，这些描述只是为了解释本发明，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于二维材料mxenes的光电忆阻器，其特征在于，所述光电忆阻器由下至上包括衬底、底电极、光阻变层和顶电极，所述光阻变层的上表面与下表面分别与顶电极和底电极相触接，所述光阻变层为二维mxenes材料层。2.根据权利要求1所述的一种基于二维材料mxenes的光电忆阻器，其特征在于，所述顶电极与所述底电极的厚度均为50-500nm。3.根据权利要求1所述的一种基于二维材料mxenes的光电忆阻器，其特征在于，所述顶电极为透明电极ito，所述底电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的至少一种。4.根据权利要求1所述的一种基于二维材料mxenes的光电忆阻器，其特征在于，所述衬底为si衬底，或者sio2/si衬底。5.一种基于mxenes材料的光电忆阻阵列器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：步骤1，制备二维材料mxenes溶液；步骤2，在衬底上制备底电极阵列；步骤3，旋涂二维材料mxenes；步骤4，制备顶电极阵列；所述底电极阵列和顶电极阵列呈交叉分布，二维材料mxenes作为光阻变层设置于底电极阵列和顶电极阵列的交叉点上。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述顶电极与所述底电极的厚度均为50-500nm。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述顶电极为透明电极ito，所述底电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的至少一种。8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为si衬底，或者sio2/si衬底。9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，制备二维材料mxenes溶液所用的溶剂为二甲基亚砜。

技术总结
本发明提出了一种基于二维材料MXenes的用于光类脑计算的光忆阻器的设计及制备方法。该光忆阻器首次提出用二维MXenes材料做光忆阻器的光阻变层，MXenes材料表面的光响应依赖于表面的等离子辅助的热载流子，可以形成光响应电流。同时，MXenes在不同波长的光的照射下，能实现功函数的调节，从而实现多比特存储忆阻器的设计。该发明为MXene材料在光电忆阻器的发展奠定了基础，同时推动了光类脑计算的进一步发展。步发展。步发展。


技术研发人员：张浩 张缪城 童祎 王新朋
受保护的技术使用者：新微比特纳米科技(苏州)有限公司
技术研发日：2022.12.31
技术公布日：2023/10/20