[发明专利]一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备

说明书

本发明涉及一种二维材料‑有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备，其制备方法具体为：a)取由衬底(1)、介质层(2)和多层二维材料(31)复合而成的器件结构浸入到含有机铁磁材料(32)的电解质溶液中；b)在多层二维材料(31)上制作三电极体系并施加负电压，使带正电荷的有机铁磁材料(32)被嵌入到多层二维材料(31)中，形成超晶格(3)；c)再在超晶格(3)两端设置金属电极，即完成。与现有技术相比，本发明采用电化学分子插层技术开发一类二维材料和铁磁材料相互交替的稳定超晶格材料，超晶格内铁磁材料形成的电磁容量形成并联状态，提高了存储单元的电容量和集成密度，同时具有稳定性好、操作电压低、功耗小及成本低等特点。

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其是涉及一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备。

背景技术

磁性半导体材料不仅具有半导体材料的功能，同时还具备了磁性存储的功能；可以通过操作半导体中的电子电荷和电子自旋两个自由度进行信息的加工处理与存储，不仅可以缩小器件体积，提高储存密度，缩短通信时间，加快运行速度，而且可以大大减少耗能。

发明内容

本发明的目的提供一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元及其制备，采用一种电化学分子插层技术，开发一类二维材料和铁磁材料相互交替的稳定超晶格材料。超晶格内铁磁材料形成的电磁容量是并联状态，提高了存储单元的电容量和集成密度，同时具有稳定性好、操作电压低、功耗小及成本低等特点。

二维纳米材料已成为新一代高性能纳米材料，是国际前沿研究的核心材料之一。以单层MoS₂为例，其电子迁移率在室温下可以达到200cm²/Vs，开关比高达1×10⁸。同时，在获得同样效果的电子运动时，MoS₂比Si更轻薄。在稳定状态下耗能比Si晶体管小十万倍。使用MoS₂制成的存储器件具有优异的存储性能。同时基于二维材料具有可弯曲、易折叠的特性，因此可以实现大面积柔性集成电路所需要的柔性存储，此外，它具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，有利于器件电学性能的提高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提出了一种二维材料-有机铁磁材料超晶格存储器单元，至少包括衬底、生长在衬底上的介质层，复合在介质层上的超晶格，所述超晶格由多层二维材料和插入多层二维材料的各单层之间的有机铁磁材料组成，所述超晶格的两端分别生长有金属电极。

进一步的，所述的衬底的材料为硅、超薄玻璃、高分子聚合物或金属箔片等，也可以为柔性衬底。

进一步的，所述的介质层为二氧化硅，BaTiO₃，也可以为有机材料或透明塑料等柔性介质。

进一步的，所述的介质层的厚度为20-150nm。

进一步的，所述的多层二维材料为厚度1nm以上的黑磷、二硫化钨、二硫化钼、二碲化钼、二硒化钨、硒化铟、硒化锡或硫化锗等，也可以是其他二维半导体材料，主要通过转移或者化学气相沉积方法覆盖在介质层上。

进一步的，所述的有机铁磁材料为二茂铁型有机高分子材料、P-NPNN及其类似物、DATA或m-PDPC。

进一步的，所述的金属电极的材料为金、银、铝或钛，其厚度为10-200nm。

本发明通过将不同类型的具有各种尺寸和对称性铁磁材料分子插入到一系列二维材料中，可以创建一大类超晶格材料。通过改变插入的分子类型，可以实现对这些新型超晶格结构和组成的调整，从而实现各种不同性能的存储器单元。同时，因铁磁材料和二维材料形成的超晶格结构，处于并联状态，提高了存储单元的电磁容量和集成密度，操作电压低，功耗小。同时，由于有机铁磁材料和二维材料具有可弯曲、易折叠的特性，实现大面积柔性集成电路所需要的柔性存储，此外，它具有良好的机械特性、高的载流子迁移率，有利于器件电学性能的提高。