河大闫小兵团队&深大张晗团队Mater. Horiz.综述:基于二维材料的忆阻器——现状与展望


【引言】

在当今的大数据时代,庞大的数据量要求下一代非易失性存储器(NVM)技术具备存储容量大和读写速度快等特点。电阻式随机存取存储器(RRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、相变存储器(PCM)等新型NVM应用而生,表现出了永久性存储和读写速度快等优点,其中,忆阻器通过开关电阻状态来实现信息存储和输出,而纳米级尺寸使得其有可能用于高密度和大规模集成。

忆阻器作为一种应用前景广阔的非易失性存储设备,可有效模拟突触结构,并启用神经形态系统,因此受到了广泛关注。近年来,二维材料因其独特的优势被广泛应用于忆阻器中,不仅提高了忆阻器的性能,而且还促进了忆阻器在柔性电子、低功耗、高温设备、神经形态计算等方面的发展。

成果简介

近期,河北大学闫小兵教授深圳大学张晗教授(共同通讯作者)等人基于二维材料忆阻器的快速发展,总结了二维材料在忆阻器中的应用及其物理开关机制,并对其存在的挑战和发展前景进行了讨论。首先,作者对石墨烯及其衍生物、过渡金属硫化物(TMDs),以及包括BN、黑磷、钙钛矿等在内的其他二维材料基忆阻器的现状进行了讨论。随后,又总结并探讨了忆阻器的三大物理开关机制。最后,对二维材料在忆阻器领域的应用进行了总结,并提出了未来的研究方向。该综述以题为“Current Status and Prospects of Memristor Based on Novel 2D Materials”发表在Materials Horizons上。

图文导读

1.  2D材料基忆阻器及其开关机制总览图

2.  Ag/GO/ITO器件的双极开关特性

(a, b) Ag/GO/ITO器件的光学照片及I-V曲线;

(c) Ag/GO/ITO器件的I-V曲线,其中GO膜退火温度为20℃,插图为器件示意图;

(d) 器件的保留特性曲线。

3.  石墨烯电极忆阻器的基本特性

(a, b) 转移在玻璃基底上的MLG及组装成器件后的光学图片;

(c,d) 线性及非线性导通态MLG/TaOy/Ta2O5–x/MLG 器件的双极RS特性曲线;

(e) 聚合物辅助剥离MoS2图示及其I-V曲线;

4.  Ag/MoS2/Ag/MoS2/Ag 忆阻器的基本特性

(a-c) Ag/MoS2/Ag/MoS2/Ag 忆阻器图示(a)及其室温I-V曲线 (b),(c) 为其对数坐标下的I-V曲线 ;

(d, e) MoOx/MoS2储存器的基本I-V曲线 (d),(e)为其电容和电阻部分;

(f) 不同TE材料忆阻器的I-V曲线;

(g) GMG器件的示意图及横截面图示;

(h) 测量设备及对应图片;

(i) GMG器件的典型开关特性曲线;

(j) 1μm脉冲宽度下可获得2×107的高耐久性;

(k, l) Vg=40 V下,忆阻器的原理图及局部I-V曲线;

(m, n) 忆阻器的们可调性曲线及不同Vg二等分GB忆阻器的典型I-V曲线

5.  Pd/WS2/Pt 忆阻器件的基本特性

(a, b) 经典的I-V特性曲线及与其他文献中报道的操作电流的对比;

(c) 13 ns的开启速度;

(d) 14 ns的关闭速度。

6.  MoTe2基忆阻器的基本特性

(a) MoTe2垂直器件图示及光学、SEM图像;

(b) 电铸后Mo0.96W0.04Te2 RRAM器件的I-V曲线;

(c) Vset值与材料厚度的对应关系。

7.  BN基忆阻器的基本特性

(a, b) Ti/thin h-BN/Cu器件的结构图示及忆阻器的经典I-V曲线;

(c, d) 单层h-BN交叉开关器件中双极性和单极性开关响应的I-V曲线;

(e, f) Au箔、Ni箔基单层h-BN器件的I-V曲线。

8.  钙钛矿基忆阻器的基本特性

(a) Ag CFs的形成与断裂图示;

(b, c) 光照下Ag/CH3NH3PbI3-xClx/FTO的I-V曲线及能级示意图。

9.  GaSe基忆阻器的基本特性

(a, b) Ag/GaSe/Ag器件的I-V曲线及50次数据循环曲线;

(c) 图 (a)中I-V曲线的拟合结果;

(d) Ag/GaSe金属半导体结的能级图。

10.  Ti/thin h-BN/Cu忆阻器的丝开关机制

(a) BN器件的I-V曲线表明其具有双极RS;

(b, c) 该器件原始位置(LRS)和GB / CF位置的电子能量损失谱(EELS)横截面分析。

11.  Ag TE/hBN/Cu忆阻器的物理开关机制

(a) 导电细丝的TEM图像;

(b, c) 低电阻状态下该器件的STEM图像及EDS图;

(d, e) 非完全接触Cu 底电极时,导电细丝的TEM图像及对应的HRTEM图像;

(f, g) Ag 导电细丝的HRTEM图像,h-BN基器件的导电细丝生长原理图。

12.  AZA器件的Ag物理开关机制

(a) I-V曲线的拟合结果

(b, c) AZA器件的TEM图像和元素分布图像;

13.  Ag/GaSe/Ag忆阻器的物理开关机制

(a) Vds=0的原始状态;

(b) Ga空位导电细丝的生长过程;

(c) 源漏极通过导电细丝导通;

(d) 导电细丝的断裂过程。

14.  Ag/MoOx/MoS2/Ag忆阻器的物理开关机制

(a-c) MoOx/MoS2忆阻器示意图,SEM图像及XPS剖析图;

(d) 表层Mo的氧化程度;

(e-g) EDS线扫剖析图;

(h-j) GMG器件的物理开关机制原理图。

15.  WS2基忆阻器的物理开关机制

(a, b) LRS中WS2纳米片及薄膜的TEM图像;

(c) 图a和图b对应区域的W原子线剖析图。

16.  Al/Ti3C2Tx/Pt忆阻器的物理开关机制

(a-d) LRS和HRS的拟合曲线及对应的I-V曲线;

(e) Ti3C2Tx到TiO2的氧化;

(f-h) 白点区域有原子空穴,而黄点区域则没有,图g和h分别为其对应的线剖析图;

(i-o) Ti3C2Tx薄片在原始状态和LRS下的XPS深度剖析图;

(p) 在Ti3C2Tx薄片不同深度下HRS和LRS的氧含量曲线。

17.  W/MoS2/ p-Si忆阻器的物理开关机制

(a) 左图为具有局部电位波动的单层MoS2的能带结构,右图为具有悬浮Si-O键的MoS2\SiO2界面;

(b) MoS2/ p-Si结的物理开关机制示意图。

小结

本文总结了诸如石墨烯、TMDs、BN、黑磷、钙钛矿和GaSe等二维材料在忆阻器领域中的应用,并分别对其二维系统的结构和特性进行了分析。基于2D材料的忆阻器具有多种物理切换机制,包括导电细丝、原子空位以及电子捕获和脱离机制。此外,忆阻器的研究对类脑计算和人工智能有着重大的影响,基于2D材料的忆阻器在未来具有广阔的发展前景。

原文链接:Current Status and Prospects of Memristor Based on Novel 2D Materials (Mater. Horiz., 2020, DOI: 10.1039/C9MH02033K.)

【团队介绍/通讯作者简介

闫小兵教授,河北大学电子信息工程学院副院长、特聘教授、博士生导师。美国IEEE高级会员,河北省杰青、三三三人才二层次。长期从事忆阻器相关研究。以第一和通信作者发表论文超过60余篇,包括Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Mater. Horiz.等权威杂志。中国青年科技工作者理事,河北青年五四奖章获得者,河北青联常委。先后获得霍英东青年教师奖、河北省青年科技奖。

张晗教授,男,1984年出生,深圳大学特聘教授、深圳市黑磷工程实验室主任、博士生导师。美国光学学会会士、基金委“优青”、科睿唯安“高被引科学家(2018/2019)”、广东省科技领军人才等。长期从事低维材料光电器件相关研究,以通讯作者发表中科院一区论文超过100篇,包括Physics Reports2篇、PNAS 1篇、Science Advance 2篇、Nature Communications 6篇等;论文总被引超过26000次,H因子为85。张晗教授担任多个SCI期刊专题主编/编委、中国激光青年编委会秘书长、全国光学青年学术论坛第二届主席团副主席。科研成果获得教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、广东省丁颖科技奖、深圳市青年科技奖、深圳市自然科学奖等。

本课题组招聘优秀的博后和研究员,欢迎投递简历至506180626(at)163.com;947935449(at)qq.com。要求:光学、化学、生物等理工科方向,发表1-2篇SCI论文,35岁以内;从事二维纳米材料者优先。

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1. Self-Assembled Networked PbS Distribution Quantum Dots for Resistive Switching and Artifcial Synapse Performance Boost of Memristors. (Adv. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201705320)

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4. Designing carbon conductive filament memristor devices for memory and electronic synapse applications. (Mater. Horiz. DOI: 10.1039/C9MH01684H)

5. The Rise of 2D Photothermal Materials beyond Graphene for Clean Water Production. (Adv. Sci. DOI: 10.1002/advs.201902236);

6. Nonlayered Tellurium Nanosheets: Facile Liquid‐Phase Exfoliation, Characterization, and Photoresponse with High Performance and Enhanced Stability. Adv. Funct. Mater. 2018, 28 (16), 1705833–1705844. https://doi.org/10.1002/adfm.201705833

本文由  深海万里  编译整理。

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