本发明涉及微电子材料与半导体器件领域，具体涉及一种双阻变层局部有源忆阻器及其制备方法。
背景技术：
1、1971年，蔡少棠教授首次提出了忆阻器的概念。随着研究的深入，他在2005年进一步指出，局部有源是引发一切复杂行为的根本原因。蔡少棠教授于2014年提出了局部有源忆阻器的概念，即那些在特定电压v和电流i范围内展现出负微分电阻或负电导现象的忆阻器。自此，忆阻器被划分为无源忆阻器和局部有源忆阻器两大类。
2、忆阻器的最显著特征之一在于能够通过储存的电荷量，进而改变电阻值。即便在电流停止流动时，其电阻也会保持先前的数值，直至受到反向电流的影响方能复位。由于无源忆阻器件无法独立工作，通常需要有源器件来提供能量。因此，尽管具有仿生特性，即常被用来模拟生物突触，但在应用中受到较大的限制。
3、结合忆阻器和局部有源理论基础，引入了局部有源忆阻器的概念。与无源忆阻器不同，局部有源忆阻器的关键之处在于在特定电压或电流范围内具有负微分电阻特性。在其直流电压-电流曲线中存在某段斜率为负的区域，这一特性被称为局部有源域。负微分电阻具有调节信号增益和相位特性的功能，因此在增强微弱信号方面发挥着重要作用。局部有源忆阻器在神经网络中的应用潜力巨大，它能够模拟多种神经形态的动作电位，因此可作为神经元模型，广泛应用于构建和优化神经网络结构。目前实物忆阻器的制备大多为无源忆阻器。局部有源忆阻器的研究大多为使用电路模型替代，对于实物局部有源忆阻器的研究较少。
4、因此，现需要一种能够模拟多种神经形态的动作电位的双阻变层局部有源忆阻器及其制备方法。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于提供一种双阻变层局部有源忆阻器及其制备方法，以解决现有技术中缺乏实物局部有源忆阻器的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种双阻变层局部有源忆阻器，包括：由下而上依次设置的衬底、底电极、忆阻功能层和顶电极；忆阻功能层采用多层纳米薄膜制成，忆阻功能层包括第一功能层和第二功能层，第二功能层位于第一功能层之上，第一功能层采用zr掺杂的zro2薄膜制成，第二功能层的采用vo2薄膜制成。
3、进一步地，底电极采用的电极材料为活性电极或亲氧电极，顶电极采用的电极材料为惰性电极、碳油或碳铜混合油，衬底采用抛光玻璃、硅晶片或导电玻璃中的任意一种。
4、进一步地，底电极的材料选用cu、al、ag、ti或pt中的任意一种；顶电极的材料选用au、ag、碳油或碳铜混合油中的任意一种。
5、进一步地，底电极、忆阻功能层和顶电极采用磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积中的任一种工艺形成。
6、进一步地，底电极的厚度为30nm～200nm，顶电极的厚度为10nm～800nm。
7、进一步地，第一功能层的厚度为30nm～500nm，第二功能层的厚度为200nm～700nm。
8、本发明还提供一种双阻变层局部有源忆阻器的制备方法，制备双阻变层局部有源忆阻器，具体包括如下步骤：
9、s1，清洗衬底。
10、s2，依次使用粗砂纸和细砂纸打磨制备底电极和忆阻功能层靶材，使用无水乙醇擦拭靶材表面。
11、s3，制备底电极：使用直流溅射，cu、al、ag、ti或pt中的任意一种靶材作为溅射源，设置靶材到衬底的距离，设置溅射室真空度，溅射室内通入惰性工作气体，调节溅射室的直流功率和工作气压，将衬底放置在样品台上，设置样品台转速，预溅射一定时间去除靶材表面氧化物和油污后，继续溅射一定时间，得到底电极薄膜。
12、s4，利用射频溅射法，采用zro2靶材作为溅射源形成第一功能层的zro2薄膜；利用直流溅射法，采用zr靶材作为溅射源，形成掺杂zr的zro2薄膜，即形成第一功能层。
13、s5，采用射频溅射法，以vo2靶材作为溅射源，制备第二功能层。
14、s6，溅射室不释放压力，进行退火处理，设置退火温度和退火时间，待温度降至室温后取出样品。
15、s7，选择au、ag、碳油或碳铜混合油中的任意一种，利用电极掩模板将经步骤s1~s6获得的具有忆阻功能层的底电极置于匀胶机上并铺平，烘干后得到顶电极。
16、进一步地，步骤s4具体包括如下步骤：
17、s4.1，制备第一功能层的zro2薄膜：采用射频溅射法，以zro2靶材作为溅射源，设置靶材到衬底的距离，设置溅射室真空度，溅射室内通入工作气体，调节溅射室功率，设置溅射时间，形成第一功能层的zro2薄膜。
18、s4.2，制备第一功能层的金属zr薄膜：使用直流溅射法，zr靶材作为溅射源，设置靶材到衬底的距离，设置溅射室真空度，溅射室内通入工作气体，调节溅射室直流功率，调节溅射室工作气压，设置样品台转速，预溅射一定时间去除靶材表面氧化物和油污后，溅射一定时间沉积金属zr薄膜，形成第一功能层zr掺杂的zro2薄膜。
19、进一步地，步骤s7具体包括如下步骤：
20、s7.1，量取一定量的au、ag、碳油或碳铜混合油中的任意一种，并进行溶解。
21、s7.2，使用电极掩模板，将经过s1~s6获得的具有忆阻功能层的底电极置于匀胶机，设置匀胶机转速把碳油均匀铺平，利用烘干箱烘干，得到顶电极。
22、进一步地，衬底采用抛光玻璃，底电极采用ti，顶电极采用碳油，具体包括如下步骤：
23、s1，清洗衬底：将抛光玻璃在无水乙醇中超声振荡清洗5min，在烘干箱中烘干。
24、s2，打磨靶材：依次使用粗砂纸和细砂纸打磨ti靶材、zro2靶材、zr靶材和vo2靶材，使用无水乙醇擦拭靶材表面。
25、s3，制备底电极：使用直流溅射，ti靶材作为溅射源，设置靶材到衬底的距离为5～12cm，溅射室真空度抽至2×10-3pa，通入流量为22～26sccm，纯度为99.999%的ar作为工作气体，调节溅射室直流功率为90～170w，调节溅射室工作气压为0.5～1.8pa，将衬底放置在样品台上，样品台自转0～10r/min，预溅射3～8min去除靶材表面氧化物和油污后，溅射5～15min，得 ti薄膜。
26、s4，制备忆阻功能层，具体包括以下子步骤：
27、s4.1，制备第一功能层的zro2薄膜：采用射频溅射法，以zro2靶材作为溅射源，设置靶材到衬底的距离为5cm～15cm，将溅射室真空度抽至2×10-3pa，通入流量为20～26sccm纯度为99.999%的ar作为工作气体，调节功率为70～160w，溅射时间5min～15min，形成第一功能层的zro2薄膜。
28、s4.2，制备第一功能层的金属zr薄膜：使用直流溅射法，zr靶材作为溅射源，设置靶材到衬底的距离为5～15cm，溅射室真空度抽至2×10-3pa，通入流量为20～26sccm，纯度为99.999%的ar作为工作气体，调节溅射室的直流功率70～160w，调节溅射室的工作气压为0.5～1.5pa，样品台自转0～10r/min，预溅射3～8min去除靶材表面氧化物和油污后，溅射4～12min沉积金属zr薄膜，形成第一功能层zr掺杂的zro2薄膜。
29、s5，制备第二功能层的vo2薄膜：采用射频溅射法，以vo2靶材作为溅射源，设置靶材到衬底的距离为5cm～15cm，将溅射室真空度抽至2×10-3pa，通入流量为20～26sccm纯度为99.999%的ar作为工作气体，调节直流功率70w～160w，调节工作气压为0.8～1.8pa，样品台自转0～10r/min，溅射时间为10min～35min，形成第二功能层。
30、s6，退火处理：溅射室不释放压力，进行退火处理，退火温度控制在400～500℃，退火保温时间控制在60～100s，待温度降至室温后取出样品。
31、s7，制备顶电极，具体包括以下子步骤：
32、s7.1，制备碳油：量取5 ml碳油，在室温下充分搅拌5min，得到溶解好的碳油。
33、s7.2，制备顶电极：使用电极掩模板，将经过s1~s6获得的具有忆阻功能层的底电极置于匀胶机上，设置匀胶机转速3500 r·min-1把碳油均匀铺平，最后用烘干箱烘干，得顶电极。
34、本发明具有如下有益效果：
35、1、通过在忆阻功能层中的两个金属氧化物薄膜（即zro2薄膜和vo2薄膜）中间掺杂zr元素，会使zr元素与zro2金属氧化物中的氧原子结合，提高zro2中电子的导电能力。
36、2、通过引入包含vo2的双阻变层结构，可以显著提升开关比。在神经元器件的忆阻器制备过程中，vo2作为一种莫特相变型金属氧化物，发挥着关键作用。其形成的阻变层能够产生局部有源效应，表现为直流v-i曲线中某段斜率为负的特性。
37、3、针对钒原子而言，具有莫特相变能力的是其四价亚稳态形式。然而，亚稳态的钒在受到空气环境和外部电激励的共同作用时，易于发生氧化反应，转变为稳定的五价态，因此丧失了发生莫特相变的能力。通过掺杂zr元素，可以有效防止zro2中游离的氧原子o与vo2发生反应，进而避免生成稳定的五价态。即掺杂元素不仅保持了忆阻功能层的形态稳定性，而且提升了忆阻器整体的稳定性。
1.一种双阻变层局部有源忆阻器，其特征在于，包括：由下而上依次设置的衬底、底电极、忆阻功能层和顶电极；所述忆阻功能层采用多层纳米薄膜制成，所述忆阻功能层包括第一功能层和第二功能层，所述第二功能层位于所述第一功能层之上，所述第一功能层采用zr掺杂的zro2薄膜制成，第二功能层的采用vo2薄膜制成。
2.根据权利要求1所述的一种双阻变层局部有源忆阻器，其特征在于，所述底电极采用的电极材料为活性电极或亲氧电极，所述顶电极采用的电极材料为惰性电极、碳油或碳铜混合油，所述衬底采用抛光玻璃、硅晶片或导电玻璃中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的一种双阻变层局部有源忆阻器，其特征在于，所述底电极的材料选用cu、al、ag、ti或pt中的任意一种；所述顶电极的材料选用au、ag、碳油或碳铜混合油中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的一种双阻变层局部有源忆阻器，其特征在于，所述底电极、所述忆阻功能层和所述顶电极采用磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积中的任一种工艺形成。
5.根据权利要求4所述的一种双阻变层局部有源忆阻器，其特征在于，所述底电极的厚度为30nm～200nm，所述顶电极的厚度为10nm～800nm。
6.根据权利要求1所述的一种双阻变层局部有源忆阻器，其特征在于，所述第一功能层的厚度为30nm～500nm，所述第二功能层的厚度为200nm～700nm。
7.一种双阻变层局部有源忆阻器的制备方法，制备如权利要求1~6中任意一种双阻变层局部有源忆阻器，其特征在于，具体包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种双阻变层局部有源忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤s4具体包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种双阻变层局部有源忆阻器的制备方法，其特征在于，步骤s7具体包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种双阻变层局部有源忆阻器的制备方法，其特征在于，所述衬底采用抛光玻璃，所述底电极采用ti，所述顶电极采用碳油，具体包括如下步骤：
