南京大學繆峰Nature子刊：基于二維材料的可耐受超高溫憶阻器

【引言】

憶阻器，是一種基于“記憶”外加電壓或電流歷史而動態改變其內部電阻狀態的電阻開關。由于擁有超小的尺寸，極快的擦寫速度，超高的擦寫壽命，多阻態開關特性和良好的CMOS兼容性，憶阻器被業內視為可應用在未來存儲和類腦計算（神經形態計算）技術的重要候選者。然而，基于傳統氧化物材料的憶阻器在高溫和承受壓力等惡劣環境下，會出現器件的失效，遠遠無法滿足航空航天、軍事、石油和天然氣勘探等應用中對于電子元件耐熱性的需求。因此，尋找新材料和新結構來提升憶阻器在惡劣環境下工作的可靠性成為憶阻器研究的一個重要挑戰。

【成果簡介】

近日，來自南京大學的繆峰教授課題組及其合作團隊（南大王鵬教授、馬薩諸塞大學楊建華教授等）在Nature子刊Nature Electronics上發表題為“Robust memristors based on layered two-dimensional materials”的文章。該文章報道了一種利用二維層狀硫氧化鉬（氧化二硫化鉬）以及石墨烯構成三明治結構的范德華異質結，測試結果顯示這種基于全二維材料的異質結能夠實現非常穩定的開關：可擦寫次數超過千萬次（10⁷），擦寫速度小于100 ns，并且擁有很好的非揮發性。團隊發現該結構的憶阻器能夠在高達340℃的溫度下穩定工作并且保持良好的開關性能，創下了憶阻器工作溫度的新記錄（此前發表的最高記錄為200℃）。該工作在世界上首次實現了基于全二維材料的、可耐受超高溫和強應力的高魯棒性憶阻器，為推動憶阻器在高溫電子器件和相關技術領域的應用邁出重要一步。

【圖文導讀】

圖1 石墨烯/硫氧化鉬/石墨烯憶阻器結構表征

a)器件結構示意圖

b)器件光學顯微鏡照片及測量電路示意圖

c)器件縱向截面高角環形暗場像(HAADF)照片

d)器件縱向截面高分辨投射電子顯微鏡(HRTEM)照片

圖2 石墨烯/硫氧化鉬/石墨烯憶阻器常溫電學開關性能表征

a)器件的開關曲線

b)器件在脈沖電壓操作下次的穩定開關表現

c)器件小于100 ns的擦寫速度

d)器件約24小時的電阻狀態維持時間

圖3 石墨烯/硫氧化鉬/石墨烯憶阻器高溫電學開關性能表征

a)器件在20~340℃溫度范圍內的開關曲線

b)器件分別在100℃、200℃和300℃高溫下的1000次穩定開關表現

c)器件分別在160℃和340℃高溫下約24小時的電阻狀態維持時間

圖4 硫氧化鉬薄膜高溫原位HRTEM表征

a), b) ,c), d)分別為硫氧化鉬薄膜在室溫、300℃、600℃和800℃下的HRTEM照片，表明了該憶阻器的耐熱性來源于硫氧化鉬超高的熱穩定性

圖5 石墨烯/硫氧化鉬/石墨烯憶阻器中導電通道的原位表征及開關機制解釋

a), b) ,c)器件分別處于原始狀態、低電阻態和高電阻態的HAADF照片

d), e), f)分別對應于a), b) ,c)圖中綠色箭頭方向的S、Mo和O元素線掃圖

g), h), i)器件分別處于原始狀態、低電阻態和高電阻態的原子分布示意圖

圖6 石墨烯/硫氧化鉬/石墨烯結構的柔性憶阻器

a)石墨烯/硫氧化鉬/石墨烯結構的柔性憶阻器光學顯微鏡照片

b)處于彎曲狀態的柔性憶阻器照片

c)柔性憶阻器在重復伸曲下的開關曲線

【小結】

這項研究工作不僅展示了二維層狀材料異質結構在憶阻器領域中的巨大應用前景，對未來極端環境下電子元件的設計與研究有著重要的指導意義；同時也指出，因為二維材料異質結構可以結合不同二維材料的優異性質，也給人們提供了一種解決其它領域電子器件技術挑戰的可能的通用途徑。

文獻鏈接： Robust memristors based on layered two-dimensional materials (Nature Electronics, 2018, DOI:10.1038/s41928-018-0021-4)

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