專利名稱：基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關及制備方法
1/3頁基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關及制備方法技術領域
本發明專利涉及基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關及制備方法，更具體地，是一種涉及基于反應共濺射制備的鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關及制備方法。
背景技術：
電阻開關效應可應用于電阻開關隨機存儲(RRAM)，這類裝置由金屬/絕緣體/金屬三明治結構構成。由于絕緣體中存在的可變價的金屬離子、空位等，使得絕緣體內在電場或焦耳熱等的作用下出現局部的金屬-絕緣體轉變，從而引起三明治結構的高低電阻變化，即電阻開關。尋找合適絕緣體材料成為人們的研究重點。鈷鐵氧體(CoFe2O4)具有很好的絕緣性，且具有復雜的立方反尖晶石結構，其中，晶格結構以氧原子作密堆積，在32個氧原子構成的面心立方晶格中，有64個四面體間隙(A位)和32個八面體間隙(B位)。其中，64個四面體A位由8個Fe占據,32個八面體的B位由8個Fe和8個Co占據。CoFe2O4 含有可變價態的Co、Fe離子和容易形成氧空位等特點，成為我們研究電阻開關的選擇。
CoFe2O4在室溫標準大氣壓下具有立方反尖晶石結構，晶格常數為a=8. 380 A。在尖晶石結構的單胞中，每個單胞有八個分子，共56個離子。這種復雜的晶體結構使得鐵氧體的制備很困難。
磁控濺射方法是一種經濟實用并可工業化的薄膜制備方法。在利用磁控濺射生長鐵氧體薄膜時，各個研究小組用的都是化學配比的陶瓷靶，利用射頻濺射把鐵氧體從靶材 “移植”到基片上成膜，所用為標準化學配比的陶瓷靶。利用陶瓷靶射頻濺射工藝復雜，需要制備或購買陶瓷靶材。發明內容
利用簡單的金屬靶材，反應共濺射法來制備CoFe2O4納米薄膜，并利用金屬/絕緣體(CoFe204)/金屬三明治結構制備電阻開關。本發明即從以上目的出發，開發了一種基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關的制備方法。
本發明中基于CoFe204納米薄膜和電阻開關的技術方案如下
—種基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關，利用反應濺射金屬Fe靶和Co靶的方法制備CoFe2O4薄膜；并把CoFe2O4薄膜生長在鍍有金屬Pt的Si基底上，在CoFe2O4薄膜上表面涂銀導電膠，構成Ag/CoFe204/Pt三明治結構；測量Ag/CoFe204/Pt三明治結構電阻開關效應。
本發明的基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關的制備方法，具體步驟如下
(I)采用三靶磁控濺射裝置，在兩個直流濺射靶頭上分別安裝金屬純度為 99. 99%的Fe靶和純度為99. 99%的Co靶，濺射裝置三靶都向上方正中心的樣品位置傾斜， 與水平面的夾角約60度；
(2)將Si片固定在樣品架，并放入濺射室中樣品架位置；
(3)開啟濺射設備，先后啟動一級機械泵和二級分子泵抽真空，并通過烘烤手段加3速抽真空速度，直至濺射室的背底真空度優于lX10_5Pa ；
(4)開啟基底加熱溫控電源，將基底加熱至面板顯示溫度650°C，穩定30分鐘；
(5)同時打開流量計和濺射電源進行預熱20分鐘后，向真空室通入純度為 99. 999%的濺射氣體Ar和O2，其中Ar為lOOsccm，氧氣為I. 8-8. Osccm，通過調節超高真空閘板閥的開啟程度，將濺射室的氣壓控制在2. OPa,并穩定5分鐘；
(6)開啟濺射電源，在Fe靶上施加0. 2A的電流和360V的直流電壓，Co靶上施加0.IA和360V的直流電壓，預濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩定；
(7)控制基底在2轉/分鐘的轉速下勻速旋轉，并同時打開基底擋板，薄膜生長20 分鐘，得到200nm厚的薄膜；
(8)濺射結束，依次關閉擋板、濺射電源和通氣閥，并打開閘板閥對腔室繼續抽真空，基底溫度在650°C穩定I小時后以I度/分鐘的速度降至室溫，然后關閉抽真空系統，向真空室充入純度為99. 999%的氮氣，打開真空室，取出CoFe2O4 ；
(9)在CoFe2O4上表面涂銀導電膠，構成Ag/CoFe204/Pt三明治結構。
測量Ag/CoFe204/Pt三明治結構的電壓-電流特性，研究其電阻開關效應。
分別在Pt和銀表面粘銅絲做為導線，用電流源和電壓表測量樣品的電流-電壓特性曲線，即測量樣品的電阻開關效應，電流的變化過程為O — 100毫安一O — -100毫安一 O。
本發明效果如下
I.首次發現CoFe2O4納米薄膜的電阻開關，具有很好的穩定性(電阻開關能夠穩定循環200次)；
2.目前工業化生產薄膜材料所采用的主要方法是濺射法，我們首次用反應共濺射法成功制備了高質量CoFe2O4薄膜，相比其它薄膜制備技術，磁控濺射更容易實現工業化生產；
3.靶材選擇簡單，與射頻濺射陶瓷靶方法相比，我們采用金屬Fe和Co靶作為靶材來制備鈷鐵氧體薄膜，從工業上更容易獲得。
圖I共濺射設備中靶頭、樣品所在位置示意圖。
圖2基于CoFe2O4納米薄膜構成的Ag/CoFe204/Pt三明治結構示意圖。
圖3生長的CoFe2O4的XRD圖，從圖中可以看到，生長的CoFe2O4薄膜為多晶薄膜。
圖4CoFe204薄膜的電流-電壓特性曲線，從圖中可以看到，在相同的電壓(如I 伏)下，對應著不同的電流，表現出了不同的電阻值，在氧氣流量為3. Osccm時高低電阻的比值約為10，CoFe2O4納米薄膜表現出很好的電阻開關效應。
具體實施方式
根據我們對本發明中所制備的樣品進行的電流-電壓特性分析，下面將基于 CoFe2O4納米薄膜的電阻開關的制備方法的最佳實施方式進行詳細地說明
I.在鍍Pt的Si片上制備CoFe2O4薄膜。
(I)采用三靶磁控濺射裝置，在兩個直流濺射靶頭上分別安裝金屬Fe (99. 99% )和Co(99. 99% )靶，如圖I所示，濺射裝置三靶都朝向上方正中心的樣品位置傾斜，與水平面的夾角約60度；
(2)將鍍Pt的Si片固定在樣品架，并放入濺射室中樣品架位置，如圖I中樣品所在位置
(3)開啟濺射設備，先后啟動一級機械泵和二級分子泵抽真空，并通過烘烤等手段加速抽真空速度，直至濺射室的背底真空度優于lX10_5Pa ；
(4)開啟基底加熱溫控電源，將基底加熱至面板顯示溫度650°C，穩定30分鐘；
(5)同時打開流量計和濺射電源進行預熱20分鐘后，向真空室通入純度為 99. 999%的濺射氣體Ar和O2，其中Ar為lOOsccm，O2氣為3. Osccm，通過調節超高真空閘板閥的開啟程度，將濺射室的氣壓控制在2. OPa,并穩定5分鐘左右。
(6)開啟濺射電源，在Fe靶上施加0. 2A的電流和360V左右的直流電壓，Co靶上施加0. IA和360V左右的直流電壓，預濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩定；
(7)控制基底在2轉/分鐘的轉速下勻速旋轉，并同時打開基底擋板，薄膜生長20 分鐘，得到200nm厚的薄膜；
(8)濺射結束，依次關閉擋板、濺射電源和通氣閥，并打開閘板閥對腔室繼續抽真空，基底溫度在650°C穩定I小時后以I度/分鐘的速度降至室溫，然后關閉抽真空系統， 向真空室充入純度為99. 999%的氮氣，打開真空室，取出樣品，可得到生長在鍍Pt的Si片上的多晶的CoFe2O4薄膜，如圖2所示，通過X射線衍射判斷出所制備的為多晶的CoFe2O4薄膜。
2.制備 Ag/CoFe204/Pt 三明治結構。
在CoFe2O4上表面涂銀導電膠，構成Ag/CoFe204/Pt三明治結構，如圖3示意圖所/Jn o
3.測量Ag/CoFe204/Pt三明治結構的電壓-電流特性，研究其電阻開關效應。分別在Pt和銀表面粘銅絲做為導線，用電流源和電壓表測量樣品的電流-電壓特性曲線，即測量樣品的電阻開關效應，電流的變化過程為O — 100暈安一0 — -100暈安一0,如圖4所示，在相同的電壓(如I伏)下，對應著不同的電流，表現出了不同的電阻值，在氧氣流量為3.Osccm時高低電阻的比值約為10，表現出高低電阻態，即CoFe2O4納米薄膜表現出很好的電阻開關效應。
權利要求
1.一種基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關，其特征是利用反應濺射金屬Fe靶和Co靶的方法制備CoFe2O4薄膜；并把CoFe2O4薄膜生長在鍍有金屬Pt的Si基底上，在CoFe2O4薄膜上表面涂銀導電膠，構成Ag/CoFe204/Pt三明治結構；測量Ag/CoFe204/Pt三明治結構電阻開關效應。
2.如權利要求I所述的基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關的制備方法，其特征是具體步驟如下(1)采用三靶磁控濺射裝置，在兩個直流濺射靶頭上分別安裝金屬純度為99.99%的 Fe靶和純度為99. 99%的Co靶，濺射裝置三靶都向上方正中心的樣品位置傾斜，與水平面的夾角約60度；(2)將Si片固定在樣品架，并放入濺射室中樣品架位置；(3)開啟濺射設備，先后啟動一級機械泵和二級分子泵抽真空，并通過烘烤手段加速抽真空速度，直至濺射室的背底真空度優于I X 10-5Pa ；(4)開啟基底加熱溫控電源，將基底加熱至面板顯示溫度650°C，穩定30分鐘；(5)同時打開流量計和濺射電源進行預熱20分鐘后，向真空室通入純度為99.999%的派射氣體Ar和O2,其中Ar為IOOsccm,氧氣為I. 8-8. Osccm,通過調節超高真空閘板閥的開啟程度，將濺射室的氣壓控制在2. OPa,并穩定5分鐘；(6)開啟濺射電源，在Fe靶上施加0.2A的電流和360V的直流電壓，Co靶上施加0. IA 和360V的直流電壓，預濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩定；(7)控制基底在2轉/分鐘的轉速下勻速旋轉，并同時打開基底擋板，薄膜生長20分鐘，得到200nm厚的薄膜；(8)濺射結束，依次關閉擋板、濺射電源和通氣閥，并打開閘板閥對腔室繼續抽真空，基底溫度在650°C穩定I小時后以I度/分鐘的速度降至室溫，然后關閉抽真空系統，向真空室充入純度為99. 999%的氮氣，打開真空室，取出CoFe2O4 ；(9)在CoFe2O4上表面涂銀導電膠，構成Ag/CoFe204/Pt三明治結構。
全文摘要
本發明涉及基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關及制備方法，利用反應濺射金屬Fe靶和Co靶的方法制備CoFe2O4薄膜；并把CoFe2O4薄膜生長在鍍有金屬Pt的Si基底上，在CoFe2O4薄膜上表面涂銀導電膠，構成Ag/CoFe2O4/Pt三明治結構；測量Ag/CoFe2O4/Pt三明治結構電阻開關效應。本發明首次發現CoFe2O4納米薄膜的電阻開關，具有很好的穩定性，電阻開關能夠穩定循環200次；用反應共濺射法成功制備了高質量CoFe2O4薄膜，相比其它薄膜制備技術，靶材選擇簡單，與射頻濺射陶瓷靶方法相比，我們采用金屬Fe和Co靶作為靶材來制備鈷鐵氧體薄膜，更容易實現工業化生產。
文檔編號C23C14/35GK102544366SQ20121004800
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者白海力, 米文博, 金朝 申請人:天津大學