南大繆峰教授課題組及合作團隊：基於二維材料的可耐受超高溫憶阻器
責任編輯 譚坤
憶阻器，是一種基於「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。由於擁有超小的尺寸，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，基於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於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。
南京大學物理學院繆峰教授課題組近年來圍繞二維材料電子器件應用開展了系統的工作，在包括場效應電子器件、紅外光電探測器件等領域已取得一系列成果。目前，他們和科研合作團隊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，在世界上首次實現了基於全二維材料的、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。
這項工作選取了硫氧化鉬（氧化二硫化鉬）和石墨烯分別作為憶阻器的介質層和電極材料，製備了三明治結構的異質結。團隊首先利用機械剝離法得到二硫化鉬和石墨烯薄膜樣品，將二硫化鉬薄膜加熱氧化後得到硫氧化鉬。接著利用二維材料定向轉移的工藝，將石墨烯、硫氧化鉬、石墨烯堆疊在一起形成具有原子級平整度界面的范德華異質結（圖a），如此高質量的界面是基於傳統氧化物材料的憶阻器所無法實現的。測試結果顯示這種基於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，圖b），擦寫速度小於100 ns，並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℃的溫度下穩定工作並且保持良好的開關性能（圖c，圖d），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℃）。團隊利用透射電子顯微鏡進行原位觀察，發現該憶阻器的耐熱性來源於硫氧化鉬超高的熱穩定性，並進一步清楚地揭示了該憶阻器中基於氧離子遷移的工作機制。結果顯示，該憶阻器中的導電通道在開關過程中一直被具有超高熱穩定性的單晶石墨烯和層狀硫氧化鉬很好地保護著，保證了導電通道在高溫擦寫過程中的穩定性。最後，團隊將該憶阻器置於柔性襯底聚醯亞胺上，發現器件在大於0.6%的形變應力下伸曲1200次之後同樣能夠穩定地工作。
《自然·電子學》官網截圖與基於二維材料的耐高溫憶阻器：（a）器件結構示意圖；（b）器件在脈衝電壓操作下次的穩定開關表現；（c）器件在20~340℃溫度範圍內的開關曲線；（d）器件分別在100℃、200℃和300℃高溫下的1000次穩定開關表現。
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。
該項研究得到微結構科學與技術協同創新中心的支持，以及國家傑出青年科學基金、科技部「量子調控」國家重大科學研究計劃（青年科學家專題）項目、江蘇省傑出青年基金、國家自然科學基金等項目的資助。
相關論文信息
標題Robust memristors based on layered two-dimensional materials
期刊Nature Electronics
作者Miao Wang, Songhua Cai, Chen Pan,Chenyu Wang, Xiaojuan Lian, Ye Zhuo, Kang Xu, Tianjun Cao, Xiaoqing Pan,Baigeng Wang, Shi-Jun Liang, J. Joshua Yang*, Peng Wang* & Feng Miao*
發表日期online 05 February 2018
摘要Van der Waals heterostructures areformed by stacking layers of different two-dimensional materials and offer thepossibility to design new materials with atomic-level precision. By combiningthe valuable properties of different 2D systems, such heterostructures couldpotentially be used to address existing challenges in the development ofelectronic devices, particularly those that require vertical multi-layeredstructures. Here we show that robust memristors with good thermal stability,which is lacking in traditional memristors, can be created from a van der Waalsheterostructure composed of graphene/MoS2-xOx/graphene.The devices exhibit excellent switching performance with an endurance of up to107 and a high operating temperature of up to 340 °C. With the helpof in situ electron microscopy, we show that the thermal stability is due tothe MoS2-xOx switching layer, as well as the grapheneelectrodes and the atomically sharp interface between the electrodes and theswitching layer. We also show that the devices have a well-defined conductionchannel and a switching mechanism that is based on the migration of oxygenions. Finally, we demonstrate that the memristor devices can be fabricated on apolyimide substrate and exhibit good endurance against over 1000 bendingcycles, illustrating their potential for flexible electronic applications.
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