利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法

本发明属于微纳结构制造领域，尤其涉及一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法。

背景技术：

1、近年来，随着数字通信在大数据以及物联网等领域的应用，推动了下一代存储设备的发展，集成电路工艺的尺寸已经深入到20纳米以下，传统的非挥发性存储器件已经接近物理极限，开发新一代非挥发性存储器件已成为各国科学家研究的热门领域。目前，非挥发性存储器件的主要类型有铁电存储器、磁性存储器、相变存储器和阻变式存储器。其中阻变式存储器因具有结构简单、操作速度快、可缩放性好、耐受性好，且功耗低，读写速度快，数据保持能力好，制作简单，易于集成等优点而被广泛认为是下一代非易失性存储器的有力竞争者之一，是极具应用前景的新一代存储器。

2、氧化铈(ceo2)由于具有较高的介电常数、合适的带隙以及转变过程中会伴随氧空位的产生与消除等性质，使其在阻变存储方面具有较大的应用潜力。众所周知，氧化铈的性能取决于其结构形貌和尺寸大小，而其形貌和尺寸又可通过具体的制备工艺进行调控，因此寻求氧化锌纳米结构的可控性制备工艺显得尤为重要。目前关于氧化锌纳米结构的制备方法比较多，常见的主要有水热法、电化学沉积法和模板辅助法。但是目前的这些方法制备工艺繁冗复杂，容易引入杂质，结晶质量不高且其去除分离过程比较困难。

3、因此，申请人提出采用激光脉冲沉积(pld)技术，基于多维激光参数和制备参数对材料的生长过程进行精确控制，通过调制晶体生长模式实现氧化铈纳米柱阵列结构的自组装制备。基于pld技术的激光自组装制备方法，由于纳米结构成形的高度可控性以及制备工艺的简易性，被广泛用于薄膜材料的制备，如半导体氧化物薄膜、陶瓷氧化物薄膜、非氧化物薄膜，在平板显示器、磁记录器、纳米晶体管、阻变存储器等器件设计领域展现出了巨大的应用潜力。

技术实现思路

1、鉴于上述不足，本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法，所述氧化铈纳米柱忆阻器包括自下而上依次堆叠的底电极层、阻变存储层以及顶电极层，所述阻变存储层为氧化铈纳米柱阵列结构，所述顶电极层包括按多个阵列分布的pt顶电极，包含以下步骤：

4、步骤1，将氧化铈靶材固定于脉冲激光沉积仪真空腔室的靶材托；将清洗好的单晶nsto衬底置于真空腔室内的样品托上，单晶nsto衬底作为氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的底电极层；

5、步骤2，将真空腔室抽至真空，设置真空腔室的参数和激光参数，通过脉冲激光轰击靶材，脉冲激光的重复频率为1-8hz；

6、步骤3，激光打击完毕后，待真空腔室温度自然降到常温后，取出并得到底电极层和阻变存储层的组合件；

7、步骤4，采用磁控溅射镀膜工艺在步骤3制备的阻变存储层表面镀膜沉积顶电极层，得到氧化铈纳米柱忆阻器。

8、进一步地，所述单晶nsto衬底为掺铌的钛酸锶，单晶nsto衬底的晶相为(001)。

9、进一步地，所述步骤2中真空腔室在抽真空至真空度为4.5×10-3pa到5.5×10-3pa、真空腔室内单晶nsto衬底温度升至650℃到750℃后，通氧气并维持氧气气压为11pa-15pa，调整靶材和样品的距离为5.5cm-7.5cm。

10、进一步地，所述步骤2中设置激光参数包括：采用恒能量模式，设置单脉冲能量为180mj-220mj,脉冲激光的重复频率为4hz-6hz,脉冲数为6500个到7500个。

11、进一步地，所述顶电极层包括金属电极或非金属电极。

12、进一步地，所述步骤4具体包括：制备pt顶电极时，首先在阻变存储层的单晶nsto衬底上放置掩膜版，掩膜版上均布有若干直径为550μm到650μm的圆形孔；之后对脉冲激光沉积仪的真空腔室抽真空，向真空腔室内通入ar气，调整工作压强、直流源功率，在阻变存储层上形成pt顶电极。

13、进一步地，所述pt顶电极的溅射时间为550s-650s，厚度为45nm-55nm。

14、与现有技术相比，本专利具有的效益效果为：提供了一种利用激光自组装制备功能氧化物纳米柱结构的方法，实现了氧化铈纳米结构的可控设计，为相关材料的开发应用提供了一种简单、廉价、高效的实现工艺。且本发明所设计的氧化铈纳米柱忆阻器具有高稳定性、高可靠性、高阻变开关比，以及双极性阻变存储特性，在下一代非易失性存储器的应用方面具有重要的发展前景。

技术特征：

1.一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法，所述氧化铈纳米柱忆阻器包括自下而上依次堆叠的底电极层、阻变存储层以及顶电极层，所述阻变存储层为氧化铈纳米柱阵列结构，所述顶电极层包括按多个阵列分布的pt顶电极，其特征在于，包含以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法，其特征在于，所述单晶nsto衬底为掺铌的钛酸锶，单晶nsto衬底的晶相为(001)。

3.如权利要求1所述的一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法，其特征在于，所述步骤2中真空腔室在抽真空至真空度为4.5×10-3pa到5.5×10-3pa、真空腔室内单晶nsto衬底温度升至650℃到750℃后，通氧气并维持氧气气压为11pa-15pa，调整靶材和样品的距离为5.5cm-7.5cm。

4.如权利要求1所述的一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法，其特征在于，所述步骤2中设置激光参数包括：采用恒能量模式，设置单脉冲能量为180mj-220mj,脉冲激光的重复频率为4hz-6hz,脉冲数为6500个到7500个。

5.如权利要求1所述的一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法，其特征在于，所述顶电极层包括金属电极或非金属电极。

6.如权利要求1所述的一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：制备pt顶电极时，首先在阻变存储层的单晶nsto衬底上放置掩膜版，掩膜版上均布有若干直径为550μm到650μm的圆形孔；之后对脉冲激光沉积仪的真空腔室抽真空，向真空腔室内通入ar气，调整工作压强、直流源功率，在阻变存储层上形成pt顶电极。

7.如权利要求6所述的一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法，其特征在于，所述pt顶电极的溅射时间为550s-650s，厚度为45nm-55nm。

技术总结本发明公开了一种利用激光自组装制备氧化铈纳米柱阵列结构忆阻器的方法，包括：步骤1，将氧化铈靶材固定于脉冲激光沉积仪真空腔室的靶材托；将单晶NSTO衬底置于样品托上；步骤2，将真空腔室抽至真空，设置真空腔室的参数和激光参数，通过脉冲激光轰击靶材，脉冲激光的重复频率为1‑8Hz；步骤3，激光打击完毕后，待真空腔室温度自然降到常温后，取出并得到底电极层和阻变存储层的组合件；步骤4，采用磁控溅射镀膜工艺在步骤3制备的阻变存储层表面镀膜沉积顶电极层，得到氧化铈纳米柱忆阻器。本发明可实现氧化铈纳米结构的可控设计。本发明所设计的氧化铈纳米柱忆阻器具有高稳定性、高可靠性、高阻变开关比。技术研发人员：范丽莎,吕益峰,姚建华,陈智君,胡勇,丁孝禹,赵天真受保护的技术使用者：浙江工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25