新加坡材料研究所Adv. Mater.： 基于二硫化钼/聚合物多层异质结的可变电阻存储器

背景介绍

随着物联网、人工智能、大数据、区块链等现代信息技术的迅速发展，人类社会越来越依赖于信息与数据的交换与流通。我们在享受这些信息技术带来巨大机会与便利的同时，也面临了许多网络攻击与信息安全的问题。目前认为，新型硬件加密组件如真随机数生成器、物理不可克隆电路等将有助解决这些问题。研究表明新型的可变电阻存储器有望应用于真随机数的产生，其中器件循环中参数变化如电报噪声等已被认为可以作为随机数的来源。但是，目前的可变电阻存储应用于真随机数产生面临的重大问题是：在器件循环过程中，器件性能会发生明显衰减，从而无法保证随机数据的稳定产生。因此，研究人员提出各种方法去增强可变电阻存储器器件的稳定性，例如在器件中加入one transistor – one resistor  (1T-1R)。这相关的改进可以在一定程度上提高器件的运行稳定性，但同时也使得器件结构变得更加复杂，增加成本。

成果简介

基于此，新加坡科技局(A*STAR)材料研究所（IMRE）的Chi Dongzhi研究员、Wang Shijie研究员、杨明博士（目前加入香港理工大学应用物理系担任助理教授）与MEDINA Silva Henry 博士等人报道了通过形成二硫化钼/聚合物异质结多层结构作为可变电阻存储器的工作介质层（Active layer）， 器件的循环稳定性得到明显提高。该研究团队首先用离子溅射的方法（全球PCT专利：PCT/SG2018/050462）在二氧化硅衬底可控生长出了层状、高质量、大面积(2英寸)的二硫化钼多层薄膜（见图一），然后通过改进的薄膜转移的方法，把二硫化钼薄膜转移到器件基底上，通过控制转移过程烘烤温度， 可以在转移的结晶二硫化钼层状薄膜中间形成无定型的聚合物层，然后再沉积银金属做为顶电极（见图二），最终形成金（底电极）– 多层二硫化钼/聚合物/多层二硫化钼/聚合物/多层二硫化钼 – 银（顶电极）结构的可变电阻存储器（新加坡专利：2019/5984103881V）。

新加坡材料研究所的研究团队还系统表征了该可变电阻存储器的性能（见图三），发现其具有优越电性能，比如很小的驱动电压（~0.4 V）、很大的开关比（>10⁴）、非常好的器件循环稳定性。特别引人注意的是，在超过600次器件循环中，所测的高低电阻几乎保持不变。基于该器件优异的电性能与循环稳定性，该研究团队提出将其应用于真随机数的产生，通过Chi-square统计测试，发现高电阻值的分布具有最强的非关联性，可作为理想的随机数。该研究工作的材料生长、测试与器件制备与表征主要是在新加坡材料所完成，STEM表征是由新加坡国立大学的Pennycook教授与黎长建博士完成，另外南京航空航天大学的刘衍朋教授对器件的表征也有重要贡献。该工作以“MoS₂/Polymer Heterostructures Enabling Stable Resistive Switching and Multistate Randomness ”为题目发表在国际著名材料学期刊 《Advanced Materials》上，其中柴剑维博士、Tong Shiwun博士, 黎长建博士与 Carlos Manzano博士是共同第一作者，Chi Dongzhi研究员、Wang Shijie研究员、杨明博士、MEDINA Silva Henry 博士是论文的通讯作者。

小结

该工作新颖地在多层二硫化钼中间引入聚合物层，从而极大提升了相关可变电阻存储器的性能，也阐明了其在真随机数产生上的应用，有望应用于网络信息与数据安全。其中离子溅射的大面积高效生长、低温的转移技术有潜力扩展到大规模的工业应用，也有希望进一步应用于柔性可变电阻存储器或透明电子器件上。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002704

图文解析

图1：离子溅射2英寸二硫化钼以及相关表征。

图2：多层二硫化钼/聚合物异质结的形成与表征。

图3： 基于多层二硫化钼/聚合物异质结的可变电阻存储器电性能表征。

本文由作者团队供稿。