南京大学缪峰Nature子刊：基于二维材料的可耐受超高温忆阻器

【引言】

忆阻器，是一种基于“记忆”外加电压或电流历史而动态改变其内部电阻状态的电阻开关。由于拥有超小的尺寸，极快的擦写速度，超高的擦写寿命，多阻态开关特性和良好的CMOS兼容性，忆阻器被业内视为可应用在未来存储和类脑计算（神经形态计算）技术的重要候选者。然而，基于传统氧化物材料的忆阻器在高温和承受压力等恶劣环境下，会出现器件的失效，远远无法满足航空航天、军事、石油和天然气勘探等应用中对于电子元件耐热性的需求。因此，寻找新材料和新结构来提升忆阻器在恶劣环境下工作的可靠性成为忆阻器研究的一个重要挑战。

【成果简介】

近日，来自南京大学的缪峰教授课题组及其合作团队（南大王鹏教授、马萨诸塞大学杨建华教授等）在Nature子刊Nature Electronics上发表题为“Robust memristors based on layered two-dimensional materials”的文章。该文章报道了一种利用二维层状硫氧化钼（氧化二硫化钼）以及石墨烯构成三明治结构的范德华异质结，测试结果显示这种基于全二维材料的异质结能够实现非常稳定的开关：可擦写次数超过千万次（10⁷），擦写速度小于100 ns，并且拥有很好的非挥发性。团队发现该结构的忆阻器能够在高达340℃的温度下稳定工作并且保持良好的开关性能，创下了忆阻器工作温度的新记录（此前发表的最高记录为200℃）。该工作在世界上首次实现了基于全二维材料的、可耐受超高温和强应力的高鲁棒性忆阻器，为推动忆阻器在高温电子器件和相关技术领域的应用迈出重要一步。

【图文导读】

图1 石墨烯/硫氧化钼/石墨烯忆阻器结构表征

a)器件结构示意图

b)器件光学显微镜照片及测量电路示意图

c)器件纵向截面高角环形暗场像(HAADF)照片

d)器件纵向截面高分辨投射电子显微镜(HRTEM)照片

图2 石墨烯/硫氧化钼/石墨烯忆阻器常温电学开关性能表征

a)器件的开关曲线

b)器件在脉冲电压操作下次的稳定开关表现

c)器件小于100 ns的擦写速度

d)器件约24小时的电阻状态维持时间

图3 石墨烯/硫氧化钼/石墨烯忆阻器高温电学开关性能表征

a)器件在20~340℃温度范围内的开关曲线

b)器件分别在100℃、200℃和300℃高温下的1000次稳定开关表现

c)器件分别在160℃和340℃高温下约24小时的电阻状态维持时间

图4 硫氧化钼薄膜高温原位HRTEM表征

a), b) ,c), d)分别为硫氧化钼薄膜在室温、300℃、600℃和800℃下的HRTEM照片，表明了该忆阻器的耐热性来源于硫氧化钼超高的热稳定性

图5 石墨烯/硫氧化钼/石墨烯忆阻器中导电通道的原位表征及开关机制解释

a), b) ,c)器件分别处于原始状态、低电阻态和高电阻态的HAADF照片

d), e), f)分别对应于a), b) ,c)图中绿色箭头方向的S、Mo和O元素线扫图

g), h), i)器件分别处于原始状态、低电阻态和高电阻态的原子分布示意图

图6 石墨烯/硫氧化钼/石墨烯结构的柔性忆阻器

a)石墨烯/硫氧化钼/石墨烯结构的柔性忆阻器光学显微镜照片

b)处于弯曲状态的柔性忆阻器照片

c)柔性忆阻器在重复伸曲下的开关曲线

【小结】

这项研究工作不仅展示了二维层状材料异质结构在忆阻器领域中的巨大应用前景，对未来极端环境下电子元件的设计与研究有着重要的指导意义；同时也指出，因为二维材料异质结构可以结合不同二维材料的优异性质，也给人们提供了一种解决其它领域电子器件技术挑战的可能的通用途径。

文献链接： Robust memristors based on layered two-dimensional materials (Nature Electronics, 2018, DOI:10.1038/s41928-018-0021-4)

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