一种纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用

本技术实施例涉及用于信息存储的相变材料，特别是涉及一种纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着物联网、智能终端、消费电子以及健康医疗等技术的蓬勃发展，柔性电子器件的应用需求也随之增加。市场上已经出现了可穿戴式设备，更为先进的生物集成电子设备正火热开发中，这些新兴的智能设备对数据处理与存储的要求也越来越高。然而，与人体柔软的皮肤组织相比，目前主流存储器件仍然是刚性且僵化的，而柔性材料由于具有多种刚性材料无法比拟的优越特性，被用于制作成可拉伸、可穿戴的柔性器件，广泛应用于能源、医疗、信息、国防等领域。

2、柔性衬底是柔性电子技术不同于传统电子技术的最突出的地方。它具备传统刚性衬底的共同特点，首先是绝缘性，绝缘的柔性衬底保证电子设备在使用过程中不至于漏电，既确保能正常工作，又能保证使用的安全性。其次是较高的强度，无论在哪种电子技术下，衬底所起的作用相当于骨架的作用，如果没有较高的强度做为保障，就不能保证正常使用。最后是廉价性，衬底材料是电路中使用最多的材料之一，只有使用价格低廉的材料才能有效的降低电子产品的成本。

3、除了上述衬底的共同特点以外，柔性衬底还有其自身独有的特性。首先要满足柔韧性，柔性电子系统的柔韧性主要通过衬底表现；其次要保证衬底应力分布的均匀性，在柔性电子器件的使用过程中不至于外力集中而导致性能失效。鉴于上述考虑，柔性衬底采用高分子聚合物是最理想的选择。目前常用的柔性衬底材料包括聚酰亚胺(polyimide,pi)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,pdms)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate,pet)等。具体来看，pdms是一种有机材料，其外观无色透明且具有疏水性，生物相容性极佳，但是pdms表面金属化存在一定的困难。pet质量轻、韧性高，具有优良的耐化学品性和耐磨性，但是一般pet并不耐热，仅在80℃下可保持不变性。由于pi的热分解温度为500℃，是目前发现的有机聚合物中热稳定性最好的材料之一，且具有耐化学腐蚀特性，优良的机械性能，具有较高的拉伸强度，在微电子、航空航天等领域应用广泛。

4、相变存储器(pcm)作为新型非易失性存储器之一，因其低生产成本、高可拓展性、高耐久性、高速和低功耗而受到广泛关注。在相变存储器中，数据记录是通过焦耳加热引起的高电阻(非晶态)和低电阻(晶态)之间的可逆相变来实现。可以利用其较大的电阻比作为存储数据的“0”和“1”逻辑态。相变材料是相变存储器的核心，其中ti-sb-te在硅衬底上的性能已经被广泛研究。ti原子作为八面体中心存在于结晶相与非晶相之中，并通过避免相变过程大量原子重排，使得ti-sb-te具有更快的相变速度，更低的操作功耗。其有望成为替代传统相变材料gesbte，具有广泛应用前景的相变材料。

5、目前，主流相变存储薄膜的制备都是以硅(si/sio2)作为衬底，然而si衬底相对脆弱，容易受到机械打击导致晶体缺陷，同时si衬底的具有热电特性的固有缺陷，使其在器件性能稳定方面收到限制。与此同时，柔性电子器件的需求正在迅速发展，作为目前研究最多的新型存储材料之一的相变存储材料，如何将其应用于柔性存储器件是目前亟须解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例提供一种纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用，基于该相变薄膜材料设计的柔性相变存储器，能够解决现有技术中柔性器件在重复使用过程中的机械变形问题；本技术制备方法可控性强，原料成本低，易于大规模生产；且可以有效克服上述现有技术所存在的缺陷。

2、本技术实施例第一方面提供一种纳米相变薄膜材料，该材料是由ti与sb2te3合金混合后沉积在柔性衬底上，该材料的化学通式为tix(sb2te3)(1-x)；

3、其中，x表示原子百分比，且0.01<x<0.1。

4、在可以包括上述实施例的一些实施例中，x的取值为0.05。

5、在可以包括上述实施例的一些实施例中，薄膜的厚度为150-200nm；或

6、所述柔性衬底为pi材料。

7、本技术实施例第二方面还提供一种上述的纳米相变薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)将ti金属靶材和sb2te3合金靶材混合，安装到靶位上，并将柔性衬底放置在样品台上，然后对溅射腔室进行抽真空处理；

9、(2)将所述样品台旋转至ti和sb2te3混合靶材的靶位，进行磁控溅射，得到纳米相变薄膜材料。

10、在可以包括上述实施例的一些实施例中，还包括步骤(3)多次重复步骤(2)后即得到不同厚度的纳米相变薄膜材料。

11、在可以包括上述实施例的一些实施例中，步骤(1)中，在将柔性衬底放置在样品台上之前还包括对柔性衬底进行预处理，具体过程为：将柔性衬底清洗并烘干待用；或

12、在将ti金属靶材和sb2te3合金靶材混合，安装到靶位上之前还包括对靶材进行预处理，具体过程为：去除ti金属和sb2te3合金表面的氧化膜；或

13、所述ti金属靶材和sb2te3合金靶材的原子百分比纯度至少为99.999％；或

14、所述ti金属靶材为片状金属靶材，所述sb2te3合金靶材为圆块形合金靶材，且ti金属靶材放置于sb2te3合金靶材表面上。

15、在可以包括上述实施例的一些实施例中，步骤(2)中，所述磁控溅射的过程为：采用射频磁控溅射法进行单靶共溅射，所述单靶共溅射在高真空度、高纯度氩气、室温条件下进行；或

16、所述真空度≤1*10-4pa；所述氩气的体积百分比≥99.999％，所述氩气气体流量为25-35sccm，溅射气压为0.2-0.45pa；或

17、所述氩气气体流量为30sccm；所述溅射气压为0.4pa；或

18、为保证样品制备过程的均匀性，样品台预设转速为20rpm；或

19、溅射时间为467s，溅射速率为2～2.5s/nm，溅射功率为25-40w。

20、本技术实施例第三方面还提供如上所述的纳米相变薄膜材料在柔性相变存储器中的应用。

21、在可以包括上述实施例的一些实施例中，所述柔性相变存储器的制备方法，包括如下步骤：

22、s1、将柔性衬底放置于乙醇溶液中，超声波清洗10-15分钟后用去离子水清洗，利用高纯n2烘干柔性衬底表面，待用；

23、s2、将掩膜板放置在乙酸乙酯溶液中，浸泡清洗十分钟，清洗掩膜板杂质并疏通通孔，然后用乙醇溶液浸泡清洗10-15分钟后用去离子水清洗，随即放在干燥箱中，待水汽完全烘干，待用；

24、s3、磁控溅射准备：将tin靶材、ti金属靶材、sb2te3合金靶材和al靶材分别安装于磁控溅射靶中，并将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理，使用高纯氩气作为溅射气体；

25、s4、对tin靶材和al靶材进行预溅射，将空的样品台分别转到tin靶位和al靶位，打开射频电源，开始对tin靶材和al靶材表面进行溅射，以去除靶材表面氧化层；

26、s5、制备柔性相变存储器的底电极：将步骤s1清洗后的柔性衬底置于样品台上，然后将所述样品台转到al靶位，溅射生成底电极；

27、s6、制备柔性相变存储器的相变层：将步骤s2清洗后的所述掩膜板覆盖于所述底电极上，然后放置于样品台上并转到sb2te3靶位，其中，ti金属靶材叠放于sb2te3靶材之上，开启sb2te3靶位上的射频电源，在所述底电极上溅射形成相变层；

28、s7、制备柔性相变存储器的顶电极：将已经溅射了底电极和相变层的柔性衬底置于样品台上并转到tin靶位，开启tin靶位上的射频电源，溅射后得到顶电极，获得柔性相变存储器。

29、底电极为铝，厚度为500～1000nm；掩膜版的孔径为10μm；相变层为ti-sb2te3，为圆柱形状，直径为10μm，高度为150～200nm；顶电极为tin，亦为圆柱形状，直径为10μm，高度为50～60nm。

30、本技术使用机械自动弯曲平台对相变薄膜进行预调试；将制备好的相变薄膜两端分别固定在机械弯曲平面的夹具上，设置拟定的弯曲半径和弯曲次数；给机械自动弯曲平台以及薄膜盖上防尘罩，以免在薄膜弯曲过程中沾染不必要的杂质。

31、在可以包括上述实施例的一些实施例中，步骤s3中，抽真空至1×10-4pa；所述高纯氩气的体积百分比≥99.999％，所述氩气气体流量为25-30sccm，所述氩气溅射气压为0.15-0.45pa；或

32、所述al靶材、ti金属靶材、sb2te3合金靶材和tin靶材的原子百分比的浓度均≥99.999％；或

33、所述al靶材、ti金属靶材、sb2te3合金靶材和tin靶材的形状均为圆柱形，直径均为50.5mm，厚度均为4mm。

34、本技术实施例与现有技术相比，具有如下有益效果：

35、1.本技术不同弯曲次数后的相变薄膜，始终能够保持其晶态电阻(104ω)与非晶态电阻(103ω)的电阻值稳定在一数量级内，且弯曲对于薄膜的电阻漂移系数影响较小，这表明其具有稳定的电学性能；为柔性衬底薄膜在器件领域的进一步应用奠定了理论支撑。

36、2.基于本技术ti0.05(sb2te3)0.95纳米相变薄膜材料的柔性相变存储器测试性能具有较低的阈值电流(2.1μa)和阈值电压(1.1v)，有着不弱于传统硅衬底ti-sb2te3器件(38μa、1.0v)性能，证明本技术相变薄膜材料在柔性衬底下仍然能够保持良好的器件性能，产生更少的热量并实现快速相变；且能够在50ns脉冲宽度下，实现高电阻与低电阻之间的不低于三个数量级的可逆转换；值得注意的是，基于ti0.05(sb2te3)0.95相变薄膜材料制备的柔性相变存储器在经过10万次重复弯曲之后，依然可以实现正常的置位与复位操作，确保了基于本技术纳米相变薄膜材料的柔性相变存储器读写操作的准确性与可靠性，表面薄膜电学性能的稳定。

37、3.本技术提供的制备方法简单，便于精确控制材料成分和后续工艺，有利于扩大化生产应用；并且弯曲过后的柔性相变存储器仍然可以保证其具有稳定的电学性能，确保了柔性器件的可行性。