一种基于单根多壁碳管的非易失性存储器及其制备方法技术

一种基于单根多壁碳管的非易失性存储器及其制备方法。所述存储器元器件包括基底以及形成于基底上的第一电极、第二电极、第三电极和处于悬空状态的多壁碳管，其中，第一电极用于执行“读”功能；第二电极用于执行“写”功能；第三电极用于执行“擦”功能；多壁碳管的一端固定在第一电极中，另一端开口、悬空。多壁碳管中开口端内层碳管拉出后的长度能够接触到所述第二电极。第三电极加电压能将内层碳管拉回使其与第二电极断开接触。本发明专利技术的非易失性存储器具有密度高、速度快、功耗低和可靠性高的特点，从而展现了更为优越的性能和发展潜力。

Non volatile memory based on single multi wall carbon tube and preparation method thereof

Non volatile memory based on single multi wall carbon tube and preparation method thereof. The memory device includes a substrate and formed on the first electrode, the second electrode, the third electrode and the multi wall carbon tube in a suspended state, the first electrode for the implementation of \reading\ function; the second electrode for the implementation of \writing\ function; the third electrode for the implementation of \clean\ function; one end of multi walled carbon nanotubes fixed in the first electrode, the other end is open, vacant. The length of the inner tube of the inner end of the opening end of the multi wall carbon tube can be contacted with the second electrode. The third electrode and the voltage can pull the inner layer carbon tube back to the second electrode. The nonvolatile memory of the invention has the advantages of high density, high speed, low power consumption and high reliability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于存储器领域，尤其涉及一种基于单根多壁碳管的非易失性存储器及其制备方法。
技术介绍
存储器是计算机硬件中必不可少的一项设备，它的职责是对数字信息的保存，随着计算机硬件技术的发展，先后出现了各式各样的存储器。而其中新的一类，非易失性存储器(Non-volatileMemory)，其特点是既能像ROM那样，在断电后依然保持数据不丢失，又能像RAM那样及时进行数据的擦写。非易失性存储器的发展经历了从ROM、PROM、EEPROM到FLASH存储器的各个阶段。目前，非易失性存储器已经占据存储器市场大部分份额，大有取代其他存储器之势。非易失性存储器在信息技术中扮演着重要的角色，而且追求更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时问、更低成本和更高可靠性是存储器设计和制造者的永恒目标。碳纳米管作为一维纳米材料，同时具备量子尺寸效应和一维电子输运的特性，使得其不但可以作为构筑纳米器件的基本单元，也可能作为存储器器件之间的连接导线。1991年，日本NEC的Iijima教授对石墨棒放电产生的阴极沉积物进行了透射电镜研究，从中发现了直径约为4-30nm的圆柱状产物，通过高分辨透射电镜观察，这些产物由多个碳原子六方点阵的圆柱同轴嵌套而成，即为多壁碳纳米管。其外径一般为几个至几十个纳米，内径0.5至几个纳米，长度为几个至几十个微米，甚至几个毫米。多壁碳纳米管的层数可以从两层到几十层不等其层间距一般认为是0.34nm，略大于石墨的层间距(0.335nm)，而且层数越少其层间距越大，层与层之间的相互作用也比较弱。已有研究发现层与层之间为超润滑作用，可以很容易的将内层碳管抽出和拉回。在过去的研究工作当中，学者们普遍认为：包括碳纳米管、石墨、富勒烯等在内的碳基材料，由于其中碳原子本身只有sp电子，所以它们都是典型的抗磁性材料，这与含有的3d或4f电子铁磁性金属原子形成鲜明对比。然而，随着研究的不断深入人们已经在理论上论证出碳基材料具有铁磁性。理论学家根据理论计算结果，分析出碳材料存在铁磁性很可能是因为石墨存在点缺陷或线缺陷、sp2和sp3杂化、锯齿形石墨边缘的存在等等。早现，人们发现碳纳米管与金属基底的接触可以使碳管磁化。在之后的研究中，人们进一步发现经酸溶液钝化的双壁碳纳米管本身就具有铁磁性。目前研究纳米材料磁性的实验手段包括磁力显微镜、超导量子干涉磁强计和X射线磁性圆二色吸收谱。但微弱的磁信号以及磁性催化剂颗粒的影响一直阻碍了碳管磁性实验的深入研究。而本专利技术人设计了一个巧妙的实验，先截去碳管束顶端，排除了磁性催化剂颗粒对碳管磁性的而干扰，通过碳管束悬臂梁在不均匀磁场中的偏移，进一步分析出碳管具有的磁矩在开口端，从而利用碳管开口端的本征磁矩可以实现信息的存储。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种基于单根多壁碳纳米管的非易失性存储器，以实现更高密度，更快速度以及更低功耗的特点。为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于单根多壁碳管的非易失性存储器，包括：基底；第一电极，形成于所述基底上，用于执行“读”功能；第二电极，形成于所述基底上，用于执行“写”功能；第三电极，形成于所述基底上，用于执行“擦”功能；多壁碳管，所述多壁碳管的固定端固定在所述第一电极中，所述多壁碳管的开口端悬空，开口端的内层碳管能被抽出并与第二电极接触；所述第三电极位于所述第一电极和第二电极的中间靠外侧，将第三电极加电压后，能将所述多壁碳管的内层碳管拉回。对于本专利技术的非易失性存储器，所述第一电极的材料为金属或铁磁性材料。对于本专利技术的非易失性存储器，所述第二电极的材料为铁磁性材料。对于本专利技术的非易失性存储器，所述第三电极的材料为金属材料。对于本专利技术的非易失性存储器，所述基底的材料为非金属材料或非金属氧化物材料。优选地，所述基底的表面具有绝缘层。优选地，所述基底的材料为Si或SiO2。优选地，所述绝缘层的材料为SiO2、Al2O3或HfO2中任意一种或至少两种的组合物。对于本专利技术的非易失性存储器，所述第一电极的厚度大于所述多壁碳管距离所述基底的高度。对于本专利技术的非易失性存储器，所述金属材料为Au、Ag、Cu、W、Ti、Pt、Fe、Co或Ni中任意一种或至少两种的组合物。对于本专利技术的非易失性存储器，所述铁磁性材料为Fe、Co、Ni或铁磁合金。对于本专利技术的非易失性存储器，所述多壁碳管为两壁或两壁以上的单根多壁碳管。本专利技术的目的之一还在于提供一种本专利技术所述的基于多壁碳管的非易失性存储器的制备方法，包括以下步骤：(1)在基底上旋涂第一光刻胶；(2)将两端封闭的多壁碳管分散置于第一光刻胶上，使用扫描电子显微镜观察多壁碳管形貌，选择单根形貌良好，长度为3-6μm的多壁碳管，记录其位置；记录位置的作用是涂完光刻胶后，需要在碳管的位置设计电极位置和方向，而电子束直写技术在相应电极位置曝光的时候看不到碳管本身，因此需要预先记录位置，在记录位置处进行曝光；(3)在第一光刻胶和多壁碳管上旋涂第二光刻胶；(4)利用电子束直写技术，根据预设的第一电极和第二电极的形状和尺寸，将基底表面第一光刻胶和第二光刻胶刻蚀掉，形成凹槽，得到第一电极和第二电极的形状和尺寸；(5)沉积第一电极和第二电极的铁磁性材料，形成第一电极和第二电极，去除残余的光刻胶；(6)在基底和第一电极和第二电极上旋涂第三光刻胶；(7)利用电子束直写技术，根据预设的第三电极的形状和尺寸，刻蚀第三光刻胶，形成凹槽，得到第三电极的形状和尺寸；(8)沉积第三电极金属材料，形成第三电极，去除残余的光刻胶；(9)在基底、第一电极和第二电极上旋涂第四光刻胶；(10)利用电子束直写技术，根据预设的多壁碳管需要开口的端部的形状和尺寸刻蚀第四光刻胶，形成凹槽；(11)利用氧离子刻蚀将上一步中暴露的碳管端部刻蚀开口，去除残余的光刻胶；其中，所述多壁碳管开口端靠近第二电极，所述多壁碳管的内层碳管沿开口端方向抽出后能接触到所述第二电极。对于本专利技术的制备方法，步骤(2)中所述将两端封闭的多壁碳管分散置于第一光刻胶上的方法为：将分散在溶液中的多壁碳管滴在第一光刻胶上面并将溶液吹干。对于本专利技术的制备方法，所述两端封闭的多壁碳管采用石墨电弧法、化学气相沉积法或激光蒸发法制备。对于本专利技术的制备方法，所述第一光刻胶、第二光刻胶、第三光刻胶或第四光刻胶为聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单根多壁碳管的非易失性存储器，包括：基底；第一电极，形成于所述基底上，用于执行“读”功能；第二电极，形成于所述基底上，用于执行“写”功能；第三电极，形成于所述基底上，用于执行“擦”功能；多壁碳管，所述多壁碳管的固定端固定在所述第一电极中，所述多壁碳管的开口端悬空，开口端的内层碳管能被抽出并与第二电极接触；所述第三电极位于所述第一电极和第二电极的中间靠外侧，将第三电极加电压后，能将所述多壁碳管的内层碳管拉回。

【技术特征摘要】
1.一种基于单根多壁碳管的非易失性存储器，包括：
基底；
第一电极，形成于所述基底上，用于执行“读”功能；
第二电极，形成于所述基底上，用于执行“写”功能；
第三电极，形成于所述基底上，用于执行“擦”功能；
多壁碳管，所述多壁碳管的固定端固定在所述第一电极中，所述多壁碳管
的开口端悬空，开口端的内层碳管能被抽出并与第二电极接触；
所述第三电极位于所述第一电极和第二电极的中间靠外侧，将第三电极加
电压后，能将所述多壁碳管的内层碳管拉回。
2.根据权利要求1所述的非易失性存储器，其特征在于，所述第一电极的
材料为金属材料或铁磁性材料；
优选地，所述第二电极的材料为铁磁性材料；
优选地，所述第三电极的材料为金属材料；
优选地，所述金属材料为Au、Ag、Cu、W、Ti、Pt、Fe、Co或Ni中任意
一种或至少两种的组合物；
优选地，所述铁磁性材料为Fe、Co、Ni或铁磁合金。
3.根据权利要求1或2所述的非易失性存储器，其特征在于，所述基底的
材料为非金属材料或非金属氧化物材料；
优选地，所述基底的表面具有绝缘层；
优选地，所述基底的材料为Si或SiO2；
优选地，所述绝缘层的材料为SiO2、Al2O3或HfO2中任意一种或至少两种
的组合物。
4.根据权利要求1-3任一项所述的非易失性存储器，其特征在于，所述第
一电极的厚度大于所述多壁碳管距离所述基底的高度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的非易失性存储器，其特征在于，所述多
壁碳管为两壁或两壁以上的单根多壁碳管。
6.一种权利要求1-5任一项所述非易失性存储器的制备方法，包括以下步
骤：
(1)在基底上旋涂第一光刻胶；
(2)将两端封闭的多壁碳管分散置于第一光刻胶上，使用扫描电子显微镜观
察多壁碳管形貌，选择单根形貌良好，长度为3-6μm的多壁碳管，记录其位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，邓娅，孙连峰，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11