苏州科技大学李阳团队CEJ：“有机离电能手”——基于有机离子-电子修饰和二维异质结的高鲁棒性MXene杂化忆阻器

钢铁侠 2周前 (04-22) 284浏览

传统的计算机系统采用冯·诺伊曼架构，其处理单元和存储单元在物理上是分开的，当计算机从存储单元访问数据时，需要克服大量的线性交互，这往往会导致数据传输缓慢、时间延迟长和功耗高的问题。因此，突破冯·诺依曼瓶颈对于满足未来数据密集型计算的小型化、快速度、低功耗、高存储容量等需求至关重要。最近，忆阻器已经成为高级存内计算和神经形态计算的有力候选者，为打破当前计算架构的困境提供了一种可行的途径。忆阻器有望将计算和存储单元集成到一个系统中，从而实现像人脑一样的高效并行运算信息处理器。

自Geim等人首次发现具有二维碳原子层的石墨烯结构以来，二维纳米材料在纳米电子学领域取得了非常大的研究进展。近年来，二维纳米材料家族中最重要的新兴成员之一是过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，即MXenes。其一般化学式为Mn+1XnTx（n = 1-4），其中M代表早期过渡金属元素，X为碳或氮元素，Tx为表面基团。然而，尽管其他二维纳米材料（如石墨烯，MoS2等）在忆阻器领域已经绽放异彩，但基于二维MXene材料的忆阻器报道相对较少。这主要是由于其主链结构中具有丰富的自由电子，从而使其表现出类金属导电性而非半导体特性。因此，发展将其应用于忆阻器的有效策略非常重要。值得一提的是，MXene表面因为制备过程中的刻蚀步骤具有丰富的−OH，−F或=O表面基团，为其提供了功能化修饰的潜力。

近日，苏州科技大学李阳团队成功地通过表面工程策略实现了MXene在高鲁棒性忆阻器中的应用。基于MXene表面的丰富官能团，他们选择一种兼备共轭骨架和强离子相互作用的天青石蓝（CB）有机离子材料对Ti3C2Tx-MXene二维纳米片表面进行修饰，使Ti3C2Tx-MXene纳米片的导电性从类金属性转变为半导体性质。该有机-二维杂化材料Ti3C2Tx-CB具有离子-电子协同调控的优点，表现出双极阻变开关特性，包括低工作电压（~0.9 V）和长保留时间（>104 s）。此外，为了解决Ag/Ti3C2Tx-CB/ITO器件在持续工作后出现的性能衰减问题，基于二维氧化石墨烯（GO）层状结构，设计了GO/Ti3C2Tx-CB/GO二维异质结，大大提高了忆阻性能的稳定性。通过理论电荷输运模型和实验扫描电镜分析表明，引入的二维氧化石墨烯层能够起到缓冲层的作用，抑制了导电细丝的随机扩散和过度生长，这是实现器件高鲁棒性的关键。该研究揭示了通过有机离子-电子修饰策略制备高性能MXene忆阻器的前景，并为扩大新型二维纳米材料在非易失性存储器中的应用提供了有效的指导。

图1 基于有机离子-电子修饰策略实现MXene双极阻变开关特性

图2 具有离子-电子协同特性的高鲁棒性有机-无机杂化MXene忆阻器

通讯作者简介：

李阳：现为苏州科技大学物理科学与技术学院副教授。入选中国科协青年人才托举工程、江苏省优青、江苏省科协青年人才托举工程、苏州市科协青年人才托举工程、国际科学组织Vebleo会士、Nanoscale“新锐科学家”、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会高级会员、盐城市科技副总。主要从事有机本征柔性忆阻材料及多功能器件的研究，并致力于人工突触的集成与神经形态计算的探索。以第一作者及通讯作者在Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., InfoMat, Nano Energy, Small等高质量期刊上发表论文40余篇，多篇论文入选ESI高被引论文、Wiley期刊热点论文和高被引论文。担任江苏省材料学会副秘书长、江苏省材料学会科普工作委员会委员、江苏省侨界专家委员会委员、苏州市侨青会委员、江苏省高新技术企业评审专家，并担任Nano-Micro Lett., Int. J. Extrem. Manuf., Prog. Nat. Sci., Adv. Powder Mater., Exploration, Brain-X, Polymers,《中国结构化学》等期刊青年编委或客座编辑。研究成果获得江苏省首届自然科学百篇优秀学术成果论文奖（第一完成人）和江苏省材料学会科学技术奖一等奖（第一完成人）。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省高校自然科学研究项目等国家和省市级科研项目8项。

论文信息：

Toward highly-robust MXene hybrid memristor by synergetic ionotronic modification and two-dimensional heterojunction

Songtao Ling, Shengran Lin, Yinzhong Wu, Yang Li

Chem. Eng. J., 2024, 486, 150100. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150100

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