[发明专利]一种基于石墨烯悬梁结构的存储器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于阻变存储器技术领域，涉及一种基于石墨烯悬梁结构的存储器及其制备方法，尤其涉及一种基于石墨烯悬梁结构和铁磁性材料的非易失性存储器及其制备方法。

背景技术

随着数字高科技的飞速发展，对现有信息存储产品的性能提出了更高的要求，例如：高速度、高密度、长寿命、低成本和低功耗等要求。电阻型存储器技术是基于存储单元可以在电信号的作用下在高阻态和低阻态之间进行切换的工作原理。利用该原理做成电器元件时，可以对其施加不同的电压，使其进入到不同的状态，具有非易失性。随着微纳加工技术和材料制备技术的发展，非易失性存储器成为今年的研究热点，由于其存储密度高、响应速度快、制造成本低以及可以实现三维存储等优点而被认为是具有发展前景的下一代存储器。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子(或更准确地应称为“载荷子”)的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯的另一特性是，其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动，而且速度极快，远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。还有，其导热性超过现有一切已知物质。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过 15000cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

目前，关于碳基材料铁磁性的研究是一个热点领域。在之前的研究工作中，申请人曾利用了一种最古老也是最有效的方法来研究碳基材料的局域铁磁性：铁磁体对铁屑的吸引现象。我们通过研究铁磁性金属原子、顺磁性金属原子以及抗磁性金属原子在石墨烯边缘截然不同的聚集行为，提出并证明石墨烯边缘具有本征磁矩。

阻变存储器被证明具有良好的尺寸缩小潜力，能够在未来实现高密度集成，而且它的存储窗口优秀，具有良好的数据保持特性和抗擦写能力。其原理在于，阻变材料在外加电压的激励下，能够在高阻状态和低阻状态之间实现转换。

CN 105161617A公开了一种平面结构的阻变存储器及其制备方法，其所述的阻变存储器具有形成于阻变功能层的两端的石墨烯电极，利用石墨烯材料的高迁移率特性，实现阻变存储器的低功耗运行。

CN 104681718A公开了一种基于石墨烯氧化物的阻变随机存储器及其制备方法。所述阻变随机存储器包括栅极、栅绝缘层、源极、漏极、有源区、位于有源区和源极及漏极之间的石墨烯层以及存储单元。存储单元包括上电极、下电极以及上下电极之间的阻变层，其中阻变层为石墨烯氧化物。其中石墨烯层为石墨烯氧化物层经过还原形成。

然而上述阻变存储器均存在因能耗高以及发热量大而导致阻变存储器集成度无法继续提高的问题。

发明内容

针对现有技术中石墨烯存储器存在的因能耗高以及发热量大而导致阻变存 储器集成度无法继续提高的问题，本发明在石墨烯边缘具有本征磁矩的基础上，提供了一种基于石墨烯悬梁结构的存储器及其制备方法。所述基于石墨烯悬梁结构的存储器是一种新型的非挥发性随机存储器，其可与硅基半导体工艺兼容，具有成本低、功耗低、结构简单、存储速度快以及可高密度集成等优点，能够有效的解决原有的存储器发展的瓶颈问题。

本发明所述基于石墨烯悬梁结构的存储器的本质在于由石墨烯基材料制备得到的一端固定，另一端自由的石墨烯悬梁，利用石墨烯边缘的局域磁性，可以实现石墨烯悬臂梁和磁性第二电极之间形成高电阻(即石墨烯悬臂梁和磁性第二电极断开的状态)和低电阻(即石墨烯悬臂梁和磁性第二电极接触的状态)两种稳定状态，从而实现“0”与“1”的存储。并且，信息的“读”、“写”和“擦”可以通过第一电极、第二电极和第三电极来实现。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：