[发明专利]基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关及制备方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关及制备方法，更具体地，是一种涉及基于反应共溅射制备的钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关及制备方法。

背景技术

电阻开关效应可应用于电阻开关随机存储(RRAM)，这类装置由金属/绝缘体/金属三明治结构构成。由于绝缘体中存在的可变价的金属离子、空位等，使得绝缘体内在电场或焦耳热等的作用下出现局部的金属-绝缘体转变，从而引起三明治结构的高低电阻变化，即电阻开关。寻找合适绝缘体材料成为人们的研究重点。钴铁氧体(CoFe₂O₄)具有很好的绝缘性，且具有复杂的立方反尖晶石结构，其中，晶格结构以氧原子作密堆积，在32个氧原子构成的面心立方晶格中，有64个四面体间隙(A位)和32个八面体间隙(B位)。其中，64个四面体A位由8个Fe占据，32个八面体的B位由8个Fe和8个Co占据。CoFe₂O₄含有可变价态的Co、Fe离子和容易形成氧空位等特点，成为我们研究电阻开关的选择。

CoFe₂O₄在室温标准大气压下具有立方反尖晶石结构，晶格常数为在尖晶石结构的单胞中，每个单胞有八个分子，共56个离子。这种复杂的晶体结构使得铁氧体的制备很困难。

磁控溅射方法是一种经济实用并可工业化的薄膜制备方法。在利用磁控溅射生长铁氧体薄膜时，各个研究小组用的都是化学配比的陶瓷靶，利用射频溅射把铁氧体从靶材“移植”到基片上成膜，所用为标准化学配比的陶瓷靶。利用陶瓷靶射频溅射工艺复杂，需要制备或购买陶瓷靶材。

发明内容

利用简单的金属靶材，反应共溅射法来制备CoFe₂O₄纳米薄膜，并利用金属/绝缘体(CoFe2O4)/金属三明治结构制备电阻开关。本发明即从以上目的出发，开发了一种基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关的制备方法。

本发明中基于CoFe2O4纳米薄膜和电阻开关的技术方案如下：

一种基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关，利用反应溅射金属Fe靶和Co靶的方法制备CoFe₂O₄薄膜；并把CoFe₂O₄薄膜生长在镀有金属Pt的Si基底上，在CoFe₂O₄薄膜上表面涂银导电胶，构成Ag/CoFe₂O₄/Pt三明治结构；测量Ag/CoFe₂O₄/Pt三明治结构电阻开关效应。

本发明的基于钴铁氧体纳米薄膜的电阻开关的制备方法，具体步骤如下：

(1)采用三靶磁控溅射装置，在两个直流溅射靶头上分别安装金属纯度为99.99％的Fe靶和纯度为99.99％的Co靶，溅射装置三靶都向上方正中心的样品位置倾斜，与水平面的夹角约60度；

(2)将Si片固定在样品架，并放入溅射室中样品架位置；

(3)开启溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，并通过烘烤手段加速抽真空速度，直至溅射室的背底真空度优于1×10-5Pa；

(4)开启基底加热温控电源，将基底加热至面板显示温度650℃，稳定30分钟；

(5)同时打开流量计和溅射电源进行预热20分钟后，向真空室通入纯度为99.999％的溅射气体Ar和O₂，其中Ar为100sccm，氧气为1.8-8.0sccm，通过调节超高真空闸板阀的开启程度，将溅射室的气压控制在2.0Pa，并稳定5分钟；

(6)开启溅射电源，在Fe靶上施加0.2A的电流和360V的直流电压，Co靶上施加0.1A和360V的直流电压，预溅射20分钟，等溅射电流和电压稳定；

(7)控制基底在2转/分钟的转速下匀速旋转，并同时打开基底挡板，薄膜生长20分钟，得到200nm厚的薄膜；

(8)溅射结束，依次关闭挡板、溅射电源和通气阀，并打开闸板阀对腔室继续抽真空，基底温度在650℃稳定1小时后以1度/分钟的速度降至室温，然后关闭抽真空系统，向真空室充入纯度为99.999％的氮气，打开真空室，取出CoFe₂O₄；

(9)在CoFe₂O₄上表面涂银导电胶，构成Ag/CoFe₂O₄/Pt三明治结构。