忆阻器类脑芯片与人工智能( 四 ) 来源：文章转载自期刊《微纳

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图1.不同镍铜比下，铜镍合金生长石墨烯在300nm二氧化硅衬底表面的拉曼光谱与对应的光学显微镜图片
镍比铜有着更好的催化性[57] ，因此，随着镍组分的升高，石墨烯的缺陷逐渐减少，质量逐渐升高。同时，我们也发现随着镍组分的升高，石墨烯的颜色变得更深且更加不均匀。不同层数的石墨烯在300nm二氧化硅上会显现出不同的对比度[58] ，因此，颜色变深代表石墨烯的层数逐渐增多，颜色不均匀代表石墨烯的层数分布的不均匀。我们发现造成这种现象的原因主要是碳原子在铜表面的扩散速度高，而在镍表面的扩散速度低。对于镍组分低的样品，碳原子的表面扩散速度快，因而可以在极短的时间内就生长成连续的石墨烯薄膜，当石墨烯长满金属表面后，金属被石墨烯包裹，隔绝了与甲烷的接触，金属的催化作用消失，生长速度被极大地放缓。虽然等离子体的存在使甲烷仍在不断裂解，但是失去了金属的催化作用，石墨烯的生长速度变得极为缓慢。对于镍组分高的样品，碳原子在其表面扩散速度慢，因而碳原子会在石墨烯的成核点处堆积。相比于镍组分低的样品，石墨烯长满需要更长的时间，在这个过程中，金属的催化作用一直存在，同时由于镍组分的提高，合金的催化性也会提高，因此石墨烯的生长速度会更快，更长的催化时间和更快的生长速度，导致石墨烯的厚度很厚，且不均匀。举一个形象的比喻来说，就是把一杯水倒在一个平面上，水会在平面上很快地流动形成一层均匀的水膜，但是当把一杯沙子倒在平面上的时候，沙子则会在平面上堆积，如图2[54]所示，碳原子在铜表面的扩散就相当于“把水倒在平面上” ，而碳原子在镍表面的扩散就相当于“把沙子倒在平面上” 。
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图2.碳原子在铜表面和镍表面的扩散机理示意图
因而，如果要提高石墨烯的质量需要选用高催化性金属，针对铜镍合金来说，需要提高铜镍合金中的镍组分。若要提高石墨烯的均匀性，需要选用碳原子在其表面扩散速度快的金属，针对铜镍合金来说，需要减小铜镍合金中的镍组分。因此两者是矛盾的，在实验中发现，选用镍比铜1:2的组分会得到一个相对较好的结果。
此外，等离子体增强技术本身也对石墨烯的质量影响巨大。如图3（a）所示，有等离子体和没有等离子体的生长结果中，石墨烯的D峰相差巨大。这是因为没有等离子体辅助，甲烷也能裂解，但是不能完全裂解，会产生CH3、CH2这样的中间产物，导致石墨烯质量降低。通过对等离子体生长功率的优化，能够一定程度地提高石墨烯质量。如图3（b）所示，在不同等离子体功率下， 50W生长出的石墨烯的D峰最小，质量最高。需要说明的是， 50W的功率并不是一个绝对的条件。如图3（b）和（c）是生长腔室和生长过程中的图像，等离子体电极在加热器下方。通过调节等离子体电极与加热器的距离，可以调节生长时在样品表面周围的等离子体强度。因此， 50W的功率只对应于当前等离子体电极和加热器距离下的最佳功率[54] 。
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图3.等离子体辅助石墨烯生长
在本文中，只列举的铜镍合金低温下催化生长的石墨烯时，铜和镍组分选取的理由，即既要兼顾催化性，又要兼顾碳原子的表面扩散速度。金属种类多种多样，通过对各种金属的研究，或许能找到比铜镍合金更好的合金选择。
（2）WTiOx薄膜生长技术
WTiOx作为忆阻器开关层，可以通过WTi靶材经过在不同氩氧比例的气体氛围下反应溅射制备薄膜，磁控溅射反应设备及反应腔室内部如图4所示。我们所制作的钨基忆阻器的功能层材料是在功率300W、时间220s、Ar2通量20sccm的条件下通入不同浓度的氧气，实验发现通入的氧气越多，薄膜厚度越薄，如图5所示。之后通过控制时间的长短，可以控制不同氧气通量下的薄膜厚度。制作出的WTiOx薄膜在纯N2氛围下退火30min ，提高薄膜结晶度。
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