忆阻?/span>是一U具有非易失性电(sh)d兌为的双端器g。近q来Q由于在高密度存储技术和经形态计方面的巨大发展潜力Q忆d的研I?/span>成ؓ(f)基础U学和技术应用的重要l成部分。得益于独特的二l层状结构和?gu)?/span>?sh)?/span>性能Q?/span>二维材料已被证明是用于门可调、高可靠、异质结兼容和低功?/span>的忆?/span>器g的良好候选材料。更E_、可靠的?/span>易失性电(sh)d养IRSQ?/span>行ؓ(f)可以在多层甚臛_层二l?/span>层状材料中实?/span>。另一斚wQ因?/span>漏电(sh)?/span>的存在，传统氧化?/span>薄膜材料很难?/span>几纳c?/span>厚度范围?/span>实现可靠的阻变性能。此外，q种双端器g昄?jin)一pd的突触功能，能够在神l网l中模拟生物H触?/span>
鉴于此，四川师范大学接文?rn)课题?/span>和香港理工大学郝建华教授Nl?/span>lD?/span>q年来基?/span>无机和有Zl材料的忆阻器的研究q展Q从材料的合成、器件结构和制备、物?/span>机制Q到Z不同二维材料的具有良?/span>RS性能的多功能忆阻?/span>以及(qing)Z忆阻器的H触应用。最后，q讨Z(jin)信息存储和神lŞ态计在当前阶段的发展前景和?xi)战Q?/span>q对此提Z(jin)q一步的见解?/span>
?/span>1. 二维材料用于忆阻器和Z忆阻器的H触应用Q从不同的二l材料、器件结构、电(sh)极到物理机制以及(qing)RS性能和突触功能?/span>
长期以来Qh们认为漏甉|?x)导致忆d性能的恶化和/或阻止对RS行ؓ(f)的观察。因此，原子薄的l缘膜ƈ不是刉忆d的理?/span>材料。近q来Q一pd研究表明Q?/span>二维材料可以?/span>CMOSQ?/span>互补金属氧化物半gQ?/span>之外的电(sh)子领域发挥重要作用。在q去?/span>3?/span>5q中Q?/span>二维材料在忆d以及(qing)Z忆阻器的人工H触pȝ斚w取得?jin)长的q展?/span>目前已报道了(jin)在过渡金属二属化合?/span>Q?/span>TMDCsQ?/span>和六Ҏ(gu)(i)化硼Q?/span>h-BNQ?/span>的二l单分子层中?/span>可靠和稳定的?/span>易失?/span>RS行ؓ(f)。由于独特的二维层状l构有利于尺?/span>的减?/span>Q具有优异电(sh)性能的二l材料在RS器g中表现出优势?/span>
?/span>2. 常见几种忆阻?/span>d机制Q金属导늻丝机制、空位导늻丝机制和?sh)子的俘获与M莗?/span>(a) PET衬底?/span>Ag/MoS2/Au忆阻器的原理图?/span>(b) Ag CFs的Ş成和(c)断裂?/span>(d)截面透射?sh)镜囑փ昄形成?/span>导电(sh)l丝?/span>(e)矛_?/span>/2D钙钛?/span>/金垂直结构的HAADF STEM囑փ?/span>(f)元素Br?/span>EDX元素映射囑փ?/span>(g)ZPCBM/MoS2异质l的忆阻器结构示意图。插图显CZ(jin)PCBM/MoS2 2DU米复合材料的异质结l构Q以?/span>PCBM?/span>MoS2的结构?/span>(h) PCBM/MoS2异质l原理图。黄色和青色区域分别代表?sh)子的聚集和耗尽?/span>(i)?sh)荷俘获?/span>RS机制原理图?/span>
自二l材料发C来，制备Ҏ(gu)大致分ؓ(f)自上而下和自下而上两种。其中，微机械剥d化学气相沉积Q?/span>CVDQ?/span>是最具代表性的Ҏ(gu)。剥L制备的二l材料具有操作简单、成本低、质量好、表面无(zhn)Q_结{优炏V然而剥?/span>?/span>也有一定的限制Q如无法制备大尺寸的样品Q重复率?/span>{缺?/span>。此外，该方法仅适用?/span>已经制备良好的块状晶?/span>Q?/span>例如单层和少层的矛_烯纳c片可以从高度定向的热解矛_Q?/span>HOPGQ?/span>中剥R在CVD法中Q由相应的二l材料组成元素组成的前驱体用于气相反应。目标分子沉U在选定的底物上Qƈ逐渐自组装成单层或多层样品?/span>CVD法在制备二维材料斚wh独特的优?/span>Q?/span>它可以实Cl材料的多类型、多l性的生长Qƈ能有效控制二l材料的成核位置、样品Ş貌、样品厚度和样品寸?/span>CVD法制备的许多二维材料Q如矛_烯?/span>h-BN?/span>TMDCsQ在?sh)学、光学和力学性能斚w与机械剥L制备的材料不怸下。ؓ(f)?jin)成功制备高质量的多元素二维材料Q化学计量、厚度、缺陗晶_尺寸和表面_糙度等关键因素必须得到很好的控制?/span>因此Q本文ȝ?jin)近q来ZCVD生长和微机械剥离法制备的典型二维材料的忆d?qing)其相关H触应用?/span>
?/span>3. ZCVD生长?/span>TMD垂直忆阻器的基本性能?/span>(a)Z单层TMD的垂直记忆电(sh)d理图?/span>(b)单层MoS2的双?/span>RS曲线?/span>(c) 1%?/span>?/span>?/span>1000ơ弯曲@环的HRS?/span>LRS?sh)阻。插?/span>:柔性装|在弯曲时的照片?/span>(d)制作h-BN垂直器g的光学图像?/span>(e)15 ns SET脉冲演示?/span>(f) h-BN基忆d的保持特性?/span>
?/span>4. ZCVD法生长的MoS2q面忆阻器基本性能和简单的H触应用?/span>(a)交叉GB-MoS2忆阻器原理图?/span>(b)?sh)铸后相?/span>GB忆阻器的偏电(sh)?/span>-?sh)?/span>(I-V)Ҏ(gu)曲Uѝ插?/span>:完整?/span>I-V特征曲线?/span>(c)交叉GB和等?/span>GN忆阻器的门可?/span>I-VҎ(gu)?/span>(d) MoS2基多?/span>memtransistor原理图?/span>(e)H触后电(sh)作为幅度分别ؓ(f)30?/span>30 V的脉冲电(sh)压的函数Q表现出长期的增强和抑制?/span>(f) 6?/span>MoS2 memtransistor在不同状态下?/span>I24-V24曲线。在M脉冲刺激前测量黑色曲U?/span>;在端?/span>5 ~ 6之间施加4?/span>80 V脉冲得到l色曲线;在端5和端6之间施加3?/span>80 V脉冲Q得到红色曲Uѝ左边的插图?/span>多终端设备的光学囑փ。右边的插图昄?jin)异H触可塑性。左Ҏ(gu)图中的白色虚U显CZ(jin)MoS2的边~?/span>
?/span>5. ZCVD生长的用于h工神l应用的2D材料的忆d?/span>(a)不同通道长度?/span>MoS2 memtransistor器g阵列的光学图像?/span>(b)在不同源极漏?sh)?/span>(Vds)扫描范围下的器g?/span>I-V回\。扫方向用黑色头表示?/span>(c) MoS2微型晶体的门可调谐RS行ؓ(f)?/span>(d)H触后电(sh)?/span>Q?/span>PSCQ?/span>分别作ؓ(f)q度分别?/span>10?/span>10 V的脉冲电(sh)压的函数Q表现出长期的增强和抑制?/span>(e)H触后电(sh)作为幅度ؓ(f)2 ~ 10 V的脉冲电(sh)压的函数(f)所制备?/span>MoS2微型晶体的脉冲旉依赖性可塑性?/span>
?/span>6. Z微机械剥L制备的二l纳c片的^面双端忆d的基本性能?/span>(a) Ag为电(sh)极的二维GaSe基忆d原理图?/span>(b) 50?/span>GaSe忆电(sh)ȝ实验开兛_路?/span>(c) Ag/GaSe/Ag忆阻器的门可调谐RS行ؓ(f)?/span>(d)以金为电(sh)极的二维GaSe基忆d原理图?/span>(e)非易失双?/span>RSҎ(gu)曲U在相对较高的依从性电(sh)ؓ(f)1 mA?/span>(f) 10 μA较低应甉|下挥发性阈?/span>RSҎ(gu)曲Uѝ?/span>(g)Z二维层状K-birnessite MnO2U米片的记忆?sh)阻原理图?/span>(h)在相对较高的1 mA应甉|下的非易失双?/span>RSҎ(gu)曲Uѝ?/span>(i) 100 μA较低应甉|下挥发性阈?/span>RSҎ(gu)曲Uѝ?/span>
?/span>7. Z微机械剥L制备由垂直集成的WO3-x/WSe2/矛_烯范德华异质l器的基本性能?qing)其H触应用?/span>(a)由垂直集?/span>WO3-x/WSe2/矛_烯异质结l成的突触器件原理图?/span>(b)所刉装|的光学囑փ。比例尺?/span>5 μm?/span>(c)?/span>WO3-x层和没有WO3-x层的讑֤?/span>I-V曲线(U线)?/span>I-V曲线(黑线)。插图显CZ(jin)有和没有WO3-x层的器g的原理图?/span>(d)漏极甉|(Id)的函数的周期数小?/span>(圆圈)?/span>LRS(实心(j)圆圈)?/span>Vg调整?/span>0Q?/span>30?/span>60 V (e)H触后电(sh)?/span>(PSC)量与一定数?/span>(N)刺激后的输入峰?/span>(N = 0?/span>5?/span>10?/span>20?/span>30)。输入脉冲宽度ؓ(f)10 msQ脉冲幅gؓ(f)3 VQ时间间隔ؓ(f)2 s?/span>(f) PSC是在0?/span>20?/span>40 V不同门电(sh)压下q箋(hu)施加一pd脉冲qgؓ(f)4 V的增冲幅值和0.5 V的抑制脉冲幅值时输入峰数的函数?/span>
与无机材料相比，有机材料h良好的柔韧性，昄?jin)在柔性器件的q泛应用前景。此外，有机材料?qing)其复合材料q具有成本低、重量轻、可扩展性强、生物降解性好{优?/span>Q?/span>引v?jin)h们的q泛x(chng)。因此，本文l箋(hu)ȝ?jin)有Zl材料、有?/span>/无机二维复合材料在忆d斚w的最新研I进展，q对有机材料的应用前景作?jin)进一步展望?/span>
?/span>8. Z二维有机亚胺聚合?/span>(2DPBTA PDA)薄膜忆阻器的基本性能?qing)其高温和柔性应用情c(din)?/span>(a)单体席夫反应合?/span>2DPBTA PDA薄膜工艺C意图?/span>(b)所制忆d?/span>I-V回\。图中显CZ(jin)Ag/2DPBTA PDA/ITOl构的忆d原理图?/span>(c)讑֤?/span>HRS?/span>LRS处的保留旉。器件的2DPBTA PDA薄膜厚度?/span>71?1 nm?/span>(d)?/span>HRS?/span>LRS的?/span>?/span>性能l制成周期数的函数?/span>(e)厚度?/span>26?0.5 nm 2DPBTA PDA薄膜器g温度?/span>50?/span>400 ?/span>?span style="font-family:;">HRS?/span>LRS(?/span>)?/span>器g的成功率(?/span>)?/span>(f)柔?/span>Ag/2DPBTA PDA/矛_?/span>器g重复机械弯曲500周期前后的开x(chng)Uѝ插?/span>:柔?/span>器g在弯曲时的照片?/span>
?/span>9. Z一U新?/span>MoS2?聚合?/span>- MoS2?聚合?/span>- MoS2多层异质l构且具有优异的RS性能的忆d的应用?/span>(a)记忆装置?/span>?sh)?/span>循环扫描试?/span>(b)Z300个@环的Vset?/span>Vreset误差图?/span>(c)MoS2/聚合物基记忆?sh)阻的脉冲@环特性。插?/span>?/span>施加的脉冲电(sh)压和d?sh)压?/span>(d)HRS?/span>LRS的篏U百分比分布?/span>(e)?/span>1×103U内的保?/span>Ҏ(gu)?/span>。插图显CZ(jin)应用的脉冲电(sh)压和d?sh)压?/span>(f)累积概率分布?/span>HRS点的U性拟合?/span>(g) Vset?/span>Vreset?/span>LRS?/span>HRS?/span>卡方(g)验?/span>(h)?/span>50 KΩ围分l的HRS数据出现ơ数的直方图?/span>(i)ZMoS2/聚合物异质结构制备器件示意图?/span>
ȝ
Z二维材料忆阻?/span>的研I?/span>虽然已经取得?jin)重大进展，但仍有一些问题需要解冟뀂随着单个器g性能的提高，器g集成仍然面(f)着巨大?xi)战。对于大面积?/span>高质量的二维材料Q工业化生和{UL术仍有待改进。其ơ，q一步提高器?/span>E_?/span>可靠?/span>RS性能Q这需要稳定的2D材料和可靠的忆阻器?/span>W三Q?/span>虽然双端忆阻器实C(jin)基本的突触功能，?/span>h多功能的多端H触器g仍被寄予厚望Q?/span>期待实现复杂生物H触模拟功能。此外，在二l?/span>有机材料中实现突触忆dq存在许多挑(xi)?/span>Q?/span>Z二维有机忆阻器的H触器g目前q很报道?/span>而这?/span>问题?sh)?f)我们提高?sh)维材料的质量和刉?/span>更优性能?/span>忆阻?/span>?/span>实现更多H触功能模拟提供?jin)机会(x)?/span>
另一斚wQ?/span>h多功?/span>?/span>多端H触器g的研I?/span>仍然?/span>目前基础研究的重要方?/span>。例如，一些光调制或全光控忆阻?/span>不仅在高速记忆器件中提供应用Q而且在多功能?sh)子和光电(sh)子器g中具有很大的潜力。这U光调制忆阻器ؓ(f)经形态计和构徏经|络的多功能和多端突?/span>器g提供?jin)机会(x)。然而，Z二维材料的突触器件的研究仍处于v步阶D?/span>Q?/span>?/span>面积?/span>高质量二l材料的合成、高可靠性忆d的制备、突触器仉列的集成以及(qing)构筑工艺与传l半g技术的兼容性等斚w都面临着许多?xi)战和问题。尽?/span>如此Q二l忆d材料?qing)其H触应用已取得重大进展。一pd的实验和理论研究工作已经证明无机和有Zl材料具有优异的忆阻性能和多L(fng)H触功能Q这也ؓ(f)?/span>在神l网l中模拟生物H触和构建新的神l网l铺q了(jin)道\?/span>
论文具体信息如下
emristor Based on Inorganic and Organic Two-Dimensional Materials: Mechanisms, Performance, and Synaptic ApplicationsACS Applied Materials & Interfaces 2021 13 (28), 32606-32623
DOI: 10.1021/acsami.1c07665
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