[发明专利]一种卟啉忆阻器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种卟啉忆阻器，该卟啉忆阻器为阳极、阻变层、阴极的三层结构，阻变层位于阳极和阴极的中间，其包含卟啉作为活性薄膜层，该活性薄膜层提供传输电子和离子的双重功能，阻变层还包括氧化物缓冲层，以提供离子源。本发明还提出一种制备上述卟啉忆阻器的方法，包括以下步骤：首先制备所述阳极，然后在阳极上制备阻变层，随后在阻变层上制备阴极，氧化物缓冲层通过低真空度原位方法形成，以提高所述阻变层的质量，保证含氧量低于整数比。本发明具有具有适合柔性器件、可以实现大面积、低成本制作等优点。本发明的卟啉忆阻器是由真空蒸镀制备得到，具有易于设计，工艺简单，器件产率高、输出可重复性、性能稳定以及抗饱和能力强等优势。

技术领域

本发明属于有机电子和信息技术领域，具体涉及有机分子的电存储器和忆阻器，有望应用于移动互联网、计算机、人工智能、存储技术等领域。

技术背景

忆阻器是一种新型电子元器件，以其独特的非线性电学特性，独立于电阻器、电容器、电感器等基本元件，被视为第四种基本无源电子元件，其概念由华裔科学家蔡少堂教授1971年提出。2008年，惠普实验室在国际权威杂志《Nature》上首次实现，并且申请了美国专利US2008/0090337A1，已取得授权。尽管忆阻器在突破冯.诺依曼构架、低能耗设计、并行处理等方面具有优势，在基础电路设计、新型存储器、逻辑电路及人工智能器件等领域具有广泛的应用潜力，但在器件的性能，包括耐受性、可靠性以及批次重复性等方面仍面临商业瓶颈。目前忆阻器的机理有待进一步阐释和系统探讨，研究依旧主要集中在无机材料方面，有机材料仍然未实现突破。

目前，无机忆阻器方面已经取得重要进展，通过控制材料成分、混合相、以及器件、甚至是电路层面上的设计，可以有效改善器件性能。如氧化钽的忆阻器展示了超过100亿个开关周期，通过混合相可以改善中间态的稳定性，进而实现多级存储，反馈机制以及刷新技术也可以有效改善其耐受性。

尽管如此，无机忆阻器仍存在大量问题，处理机制层面，器件可重复性差、可靠性差、批次一致性差，以及不适合柔性和高能耗制作过程等。对比无机材料，有机材料具有柔性、低成本加工、大面积、便于集成于日常用品中，符合未来移动互联网、大数据、人工智慧以及云计算等未来趋势。尽管如此，然而有机忆阻器部分的应用还没有真正的开始，材料与器件进展缓慢，也缺乏有机忆阻器介质的设计。

理想的有机忆阻器是一类有机电子离子器件，真正实现可以有效提高器件的耐受性、稳定性、维持能力、可控性、可重复性等，其可以用于广泛范围的柔性电子电路中的部件，例如存储器、开关以及逻辑电路和功能。比如有机薄膜忆阻器可以是交叉点存储器中的闭合或断开开关。到目前为止，现有技术中已经有关于小分子、高分子和纳米材料的有机忆阻器的研究报道，但是尚没有真正意义上明确的分子机制的有机忆阻器，从评价到标准等方面也有多种问题。

目前为止的研究证明寻找有机电子离子型半导体是解决问题的根本。卟啉类材料，特别是金属卟啉，是一类对生命中重要的分子，涉及光合作用、血液中的氧输运过程，起到了多种角色，后来被化学家设计并合成，应用于多个研究领域，如光电器件、光催化、生物成像、光动力学治疗等。仔细辨认可以发现卟啉是一种多功能材料，既能传输电子与空穴进行氧化还原反应，同时具有传输氧物种的作用，这为设计有机忆阻器提供了新的机制。现有技术中，目前还没有将金属卟啉应用到忆阻器领域的尝试。

发明内容

本发明针对现有的金属氧化物忆阻器存在的机制、工艺及其柔性等方面的不足，提出一种全新的有机忆阻器。该有机忆阻器属于名副其实的离子/电子传输机制，不仅适合柔性器件、可以实现大面积、低成本制作等优点，而且这种忆阻器的结构易于设计，工艺简单，性能稳定。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案为一种卟啉忆阻器，该卟啉忆阻器为阳极、阻变层、阴极的三层结构，阻变层位于阳极和阴极的中间，其包含卟啉作为活性薄膜层，该活性薄膜层提供传输电子和离子的双重功能，阻变层还包括氧化物缓冲层，以提供离子源。