[发明专利]一种基于钽酸钾表面电子气的自激励电阻计时器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于钽酸钾表面电子气的自激励电阻计时器及其制备方法。以钽酸钾单晶材料为衬底，采用Ar⁺氩离子束轰击工艺，在钽酸钾表面产生氧空位，形成二维电子气层；通过改变Ar⁺轰击电压，调制二维电子气的载流子密度，得到对应的电阻随时间增长速率不同的自激励电阻计时器。经电学测量结果表明，该器件的电阻随时间线性增加，利用这种线性关系即可实现对时间的记录。在稳恒条件下，其具有固定的电阻增长速率，且可长时间保持。本发明提供的自激励电阻计时器性能稳定、结构简单，时间记录过程中无需电驱动，可广泛应用于电子芯片、智能器件等领域。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及基于电子气的电阻计时器件。

背景技术

在氧化物界面识别的二维电子气（two-dimensional electron gas, 2DEG）因其显著的物理性质，如超导性、磁阻和铁磁性等，近些年引起了人们的极大关注。具体来说，LaAlO₃/SrTiO₃界面处的2DEG显示出高迁移率和持久的光电导性，使其成为未来电子和存储器件的候选材料。随着研究的进展，一种更简单的方法被开发出来，通过产生氧空位在STO表面诱导一个二维电子气层。氩离子（Ar+）轰击是一种从氧化物中分离氧离子的有效技术，从而导致氧空位。电荷载流子密度由轰击电压和时间决定。尽管制备方法不同，这些2DEG系统显示出相似的光电传输特性。它们的固有电阻是稳定的，与时间无关。作为另一种钙钛矿结构的氧化物，碳酸钾（KTaO₃,KTO）表面可以通过在其上轰击氩离子束来形成高迁移率的2DEG。与STO的相比，KTO的一个明显的优点是存在大的自旋轨道耦合。尽管对基于KTO的二维电子气已经进行了一些研究，但都没有阐明电阻与时间的依赖关系。阐明氧空位诱导的二维电子气的输运性质实际上是非常重要的，它避免了其他氧化物的影响，从而直接反映了KTO的性质。

发明内容

本发明的目的在于利用Ar+轰击在钽酸钾（KTO）衬底上获得高载流子密度的二维电子气，其电阻具有对时间线性依赖的特性，提供一种基于钽酸钾表面电子气的自激励电阻计时器。

实现本发明目的的技术方案是提供一种基于钽酸钾表面电子气的自激励电阻计时器，它包括金属电极、钽酸钾单晶基片；基片表面具有高能氩离子束轰击产生的氧空位，形成二维电子气层，电阻随时间的延长呈线性增长。

本发明技术方案还包括一种基于钽酸钾表面电子气的自激励电阻计时器的制备方法，以钽酸钾单晶材料为衬底，采用Ar⁺氩离子束轰击工艺，在钽酸钾表面产生氧空位，形成二维电子气层；通过改变Ar⁺轰击电压，调制二维电子气的载流子密度，得到对应的电阻随时间增长速率不同的自激励电阻计时器。

上述基于钽酸钾表面电子气的自激励电阻计时器的制备方法中，Ar⁺轰击电压为200～500 V，氩气气压为2×10^-4～5×10^-4 mbar,轰击时间为2～15分钟；还可以用聚甲基丙烯酸甲酯旋涂于钽酸钾表面，排除空气中的氧气对于表面电子气层的负面影响。

本发明提供的是KTO衬底上获得高载流子密度的二维电子气，这是一种具有特殊的电输运亚稳特性的材料，其电阻具有对时间线性依赖的特性，且可在没有电驱动的情况下执行长时间的时间记录。这种材料可以用于那些无法长期无电源供电的场景中，它具有那些普通电驱动计时器无法比拟的优势。

本发明的有益效果在于：

1. 本发明提供的电子气材料，其电阻可随时间线性增大，且电阻及其增长率都可由Ar⁺轰击电压决定，从而可实现对时间的记录。