Adv. Funct. Mater.：通过表面电荷转移掺杂硫化镉纳米带构筑超宽可调功率的阻变存储器

【引言】

在过去的几十年中，信息爆炸性增长，数据存取过程产生的能耗变得不可忽视。传统的基于金属-绝缘体-金属结构的阻变存储器具有很高的工作电流，因此数据存取过程中信号可以在没有放大器的情况下被直接读取，但这也将不可避免地会产生大的能耗。为了在各种实际应用中节约能耗，合理控制阻变存储器的能耗是非常必要的。

【成果简介】

近日，来自苏州大学的张晓宏教授（通讯作者）和揭建胜教授（共同通讯作者）的研究团队在Adv. Funct. Mater.发表了题为“CdS Nanoribbon-Based Resistive Switches with Ultrawidely Tunable Power by Surface Charge Transfer Doping”的文章。该研究团队通过电荷转移掺杂硫化镉纳米带，并以掺杂的纳米带作为变阻器构筑阻变存储器以控制其工作电流和功耗。通过控制表面掺杂剂氧化钼的掺杂浓度，硫化镉纳米带的电导率可以在9个数量级的宽范围内调节，并显示出从绝缘体到半导体和导体的转变。在硫化镉纳米带电导率可控的基础上，制造的阻变存储器的功耗可以在超宽的范围内调节，其中1钠瓦的功耗最低值是目前报道的阻变存储器的最低值，0.1毫瓦的功耗最高值接近于金属-绝缘体-金属结构阻变存储器的功耗。鉴于表面电荷转移掺杂方法的高度可控性，该工作对发展高能效、性能可调和多功能的半导体纳米阻变存储器具有重要的意义。

【图文导读】

图1：硫化镉和氧化钼之间的表面电荷转移

(a): 硫化镉和氧化钼体系的差分电荷分布图；

(b-c): 本征及氧化钼掺杂硫化镉的能带结构；

(d): 本征及氧化钼掺杂硫化镉纳米带的XPS谱；

(e): 氧化钼掺杂硫化镉的SNOM测试示意图；

(f): SNOM测量中散射光二次谐波的振幅；

(g): 计算得到的散射光二次谐波的振幅-硫化镉载流子浓度曲线。

图2：硫化镉纳米带的电导调制

(a): 通过表面电荷转移掺杂控制硫化镉纳米带电导的器件示意图；

(b): 未掺杂的和掺杂的硫化镉纳米带的I-V曲线；

(c): 硫化镉纳米带的电阻率与掺杂剂氧化钼溶液浓度的关系；

(d-f): 不同掺杂程度的硫化镉纳米带电阻率的温度依赖性。

图3：基于氧化钼纳米点掺杂硫化镉纳米带的阻变储存器

(a): 阻变储存器示意图；

(b): 阻变储存器的光学显微镜图像；

(c): 阻变储存器的I-V曲线；    

(d-e): 阻变储存器的保持和耐久性测试。

图4：金/铜/掺杂硫化镉纳米带/银基阻变存储器的工作机理

(a): 银/硫化镉纳米带界面的STEM图；

(b-d): 银/硫化镉纳米带界面的EDS元素分布图；

(e): 银/硫化镉纳米带界面的HRTEM图；

(f): 以0.01V/s的扫描速度测量的阻变存储器的I-V曲线；

(g): 金/铜/掺杂硫化镉纳米带/银基阻变存储器的阻变过程示意图；

(h): 不同测试温度下阻变存储器的I-V特性；

(i-k): 阈值电压及工作电流的温度依赖关系。

图5：金/铜/掺杂硫化镉纳米带/银基阻变存储器的功耗调制

(a): 不同掺杂程度阻变存储器的I-V曲线；

(b-c): 已报道的阻变存储器工作电流、功耗及工作电压的总结；

(d,e): 不同掺杂程度阻变存储器的保持和耐久性测试。

图6：基于掺杂硫化镉纳米带的集成和柔性器件

(a): 单根纳米带上集成6组阻变存储器的光学显微镜图像；

(b): 集成的6组阻变存储器的I-V曲线；

(c): 在柔性PET衬底上构筑的阻变存储器；

(d): 阻变存储器在不同弯曲半径下测量的I-V曲线。

【小结】

该研究团队通过在硫化镉纳米带上旋涂表面掺杂剂氧化钼纳米点来实现硫化镉纳米带电阻率的宽范围调制。通过第一性原理计算，XPS和SNOM测试证明了硫化镉纳米带和氧化钼纳米点之间的电荷转移现象。通过增大电荷转移的程度，即氧化钼的掺杂量，可以把硫化镉纳米带的电阻率从10⁶降低到10^-3 Ω•cm，这大致对应于硫化镉从绝缘体到半导体和导体的转变。因此使用掺杂的硫化镉纳米带作为变阻器单元来制造功率可调的阻变存储器，阻变存储器的功耗可以从超低的1钠瓦调节至0.1毫瓦，这是迄今为止文献报道的的最大调节范围。此外，基于硫化镉纳米带的阻变存储器表现出单向导通特性，这避免了集成应用中常见的潜行电流问题。基于硫化镉纳米带的集成及柔性器件进一步展示了它们在便携式和可穿戴电子产品中的应用前景。在实际应用中，需要调节阻变存储器的性能以满足不同的需求。该工作为调节半导体基阻变存储器的性能提供了一条可行的途径。

【团队介绍】

揭建胜教授长期致力于无机/有机低维半导体纳米结构的制备、表征及应用研究，探索纳米材料在新一代电子、光电子、能源等重要领域的应用。在Adv. Mater.（8篇）、Nano Lett.（4篇）、Adv. Funct. Mater.（6篇）、ACS Nano（3篇）、Adv. Energy Mater.（1篇） Appl. Phys. Lett.（13篇）等在内的国际重要刊物发表论文160 余篇，其中IF>10的论文20余篇，封面论文7篇。论文SCI引用5400多次，H因子=39，其中12篇论文引用超过100次，9篇论文入选ESI高被引论文。多篇论文入选最多下载与年度热点，并有6篇论文被“Nature Materials”、“Nature China” 、“Materials Views”等期刊与网站作为亮点专题报道。申请发明专利25项，已授权12项。任英国物理学会（IOP）期刊Materials Research Express国际编委，以及中国化学快报青年编委，并担任Nature Commun., Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Appl. Phys. Lett.等20多个国际期刊审稿人。多次应邀在国际学术会议上进行汇报、担任分会及大会主席。2008年入选教育部新世纪优秀人才计划，2014年获国家自然科学基金优秀青年基金。

揭建胜教授个人主页：http://nano.suda.edu.cn/jie-group/professor-jie.html

张晓宏教授是国家重大研究计划项目(973)首席科学家，国家杰出青年基金获得者，“长江学者奖励计划”特聘教授，“新世纪百千万人才工程”国家级人选，中国科学院“百人计划-引进国外杰出人才”，国务院政府特殊津贴获得者。从事研究生教育工作10余年，已培养毕业博士研究生30余名，出站博士后6名，曾获中科院优秀教师奖；作为第1完成人获得国家自然科学奖二等奖1项、北京市科学技术一等奖1项。张教授研究团队长期从事有机光电材料和器件、一维半导体纳米材料和器件以及有机纳米材料及应用等研究方向。在包括Nat. Commun.，JACS，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Nano Lett.等国内外知名期刊发表SCI论文230余篇；共申请美国和中国专利40余项；报告国际会议论文40余次；撰写国际专著2部（章）。

张晓宏教授个人主页：http://funsom.suda.edu.cn/7f/8d/c2735a32653/page.htm

文献链接：CdS Nanoribbon-Based Resistive Switches with Ultrawidely Tunable Power by Surface Charge Transfer Doping（Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201706577）

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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