專利名稱：基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)及制備方法
1/3頁基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)及制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明專利涉及基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)及制備方法，更具體地，是一種涉及基于反應(yīng)共濺射制備的鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)及制備方法。
背景技術(shù)：
電阻開關(guān)效應(yīng)可應(yīng)用于電阻開關(guān)隨機(jī)存儲(RRAM)，這類裝置由金屬/絕緣體/金屬三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)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(nèi)在電場或焦耳熱等的作用下出現(xiàn)局部的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，從而引起三明治結(jié)構(gòu)的高低電阻變化，即電阻開關(guān)。尋找合適絕緣體材料成為人們的研究重點(diǎn)。鈷鐵氧體(CoFe2O4)具有很好的絕緣性，且具有復(fù)雜的立方反尖晶石結(jié)構(gòu)，其中，晶格結(jié)構(gòu)以氧原子作密堆積，在32個氧原子構(gòu)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(jù),32個八面體的B位由8個Fe和8個Co占據(jù)。CoFe2O4 含有可變價態(tài)的Co、Fe離子和容易形成氧空位等特點(diǎn)，成為我們研究電阻開關(guān)的選擇。
CoFe2O4在室溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下具有立方反尖晶石結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=8. 380 A。在尖晶石結(jié)構(gòu)的單胞中，每個單胞有八個分子，共56個離子。這種復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)使得鐵氧體的制備很困難。
磁控濺射方法是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用并可工業(yè)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)化學(xué)配比的陶瓷靶。利用陶瓷靶射頻濺射工藝復(fù)雜，需要制備或購買陶瓷靶材。發(fā)明內(nèi)容
利用簡單的金屬靶材，反應(yīng)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(jié)構(gòu)制備電阻開關(guān)。本發(fā)明即從以上目的出發(fā)，開發(fā)了一種基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)的制備方法。
本發(fā)明中基于CoFe204納米薄膜和電阻開關(guān)的技術(shù)方案如下
—種基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)，利用反應(yīng)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(dǎo)電膠，構(gòu)成Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)；測量Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)電阻開關(guān)效應(yīng)。
本發(fā)明的基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)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(shè)備，先后啟動一級機(jī)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(yōu)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(wěn)定30分鐘；
(5)同時打開流量計(jì)和濺射電源進(jìn)行預(yù)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(diào)節(jié)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(wěn)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(yù)濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；
(7)控制基底在2轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下勻速旋轉(zhuǎn)，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(jié)束，依次關(guān)閉擋板、濺射電源和通氣閥，并打開閘板閥對腔室繼續(xù)抽真空，基底溫度在650°C穩(wěn)定I小時后以I度/分鐘的速度降至室溫，然后關(guān)閉抽真空系統(tǒng)，向真空室充入純度為99. 999%的氮?dú)?，打開真空室，取出CoFe2O4 ；
(9)在CoFe2O4上表面涂銀導(dǎo)電膠，構(gòu)成Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)。
測量Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)的電壓-電流特性，研究其電阻開關(guān)效應(yīng)。
分別在Pt和銀表面粘銅絲做為導(dǎo)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(guān)效應(yīng)，電流的變化過程為O — 100毫安一O — -100毫安一 O。
本發(fā)明效果如下
I.首次發(fā)現(xiàn)CoFe2O4納米薄膜的電阻開關(guān)，具有很好的穩(wěn)定性(電阻開關(guān)能夠穩(wěn)定循環(huán)200次)；
2.目前工業(yè)化生產(chǎn)薄膜材料所采用的主要方法是濺射法，我們首次用反應(yīng)共濺射法成功制備了高質(zhì)量CoFe2O4薄膜，相比其它薄膜制備技術(shù)，磁控濺射更容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；
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(yè)上更容易獲得。


圖I共濺射設(shè)備中靶頭、樣品所在位置示意圖。
圖2基于CoFe2O4納米薄膜構(gòu)成的Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)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(yīng)著不同的電流，表現(xiàn)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(xiàn)出很好的電阻開關(guān)效應(yīng)。
具體實(shí)施方式
根據(jù)我們對本發(fā)明中所制備的樣品進(jìn)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(guān)的制備方法的最佳實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)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(shè)備，先后啟動一級機(jī)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(yōu)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(wěn)定30分鐘；
(5)同時打開流量計(jì)和濺射電源進(jìn)行預(yù)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(diào)節(jié)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(wěn)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(yù)濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；
(7)控制基底在2轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下勻速旋轉(zhuǎn)，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(jié)束，依次關(guān)閉擋板、濺射電源和通氣閥，并打開閘板閥對腔室繼續(xù)抽真空，基底溫度在650°C穩(wěn)定I小時后以I度/分鐘的速度降至室溫，然后關(guān)閉抽真空系統(tǒng)， 向真空室充入純度為99. 999%的氮?dú)?，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(jié)構(gòu)。
在CoFe2O4上表面涂銀導(dǎo)電膠，構(gòu)成Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)，如圖3示意圖所/Jn o
3.測量Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)的電壓-電流特性，研究其電阻開關(guān)效應(yīng)。分別在Pt和銀表面粘銅絲做為導(dǎo)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(guān)效應(yīng)，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(yīng)著不同的電流，表現(xiàn)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(xiàn)出高低電阻態(tài)，即CoFe2O4納米薄膜表現(xiàn)出很好的電阻開關(guān)效應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)，其特征是利用反應(yīng)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(dǎo)電膠，構(gòu)成Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)；測量Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)電阻開關(guān)效應(yīng)。
2.如權(quán)利要求I所述的基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)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(shè)備，先后啟動一級機(jī)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(yōu)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(wěn)定30分鐘；(5)同時打開流量計(jì)和濺射電源進(jìn)行預(yù)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(diào)節(jié)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(wěn)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(yù)濺射20分鐘，等濺射電流和電壓穩(wěn)定；(7)控制基底在2轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下勻速旋轉(zhuǎn)，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(jié)束，依次關(guān)閉擋板、濺射電源和通氣閥，并打開閘板閥對腔室繼續(xù)抽真空，基底溫度在650°C穩(wěn)定I小時后以I度/分鐘的速度降至室溫，然后關(guān)閉抽真空系統(tǒng)，向真空室充入純度為99. 999%的氮?dú)猓蜷_真空室，取出CoFe2O4 ；(9)在CoFe2O4上表面涂銀導(dǎo)電膠，構(gòu)成Ag/CoFe204/Pt三明治結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于鈷鐵氧體納米薄膜的電阻開關(guān)及制備方法，利用反應(yīng)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(dǎo)電膠，構(gòu)成Ag/CoFe2O4/Pt三明治結(jié)構(gòu)；測量Ag/CoFe2O4/Pt三明治結(jié)構(gòu)電阻開關(guān)效應(yīng)。本發(fā)明首次發(fā)現(xiàn)CoFe2O4納米薄膜的電阻開關(guān)，具有很好的穩(wěn)定性，電阻開關(guān)能夠穩(wěn)定循環(huán)200次；用反應(yīng)共濺射法成功制備了高質(zhì)量CoFe2O4薄膜，相比其它薄膜制備技術(shù)，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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者白海力, 米文博, 金朝 申請人:天津大學(xué)