王鹏教授课题组与缪峰教授课题组合作在Nature子刊报道可耐受超高温忆阻器重要进展

发布者:钟芳发布时间:2018-02-06

透射电镜是目前进行材料微观结构表征最有力的工具。原位技术是通过在电镜中对样品施加外场等作用,利用电镜强大的微观结构分析能力,从而对器件在工作状态下所发生的各类结构、成分、价态变化进行表征,在机理研究及材料开发中具有十分重要的意义。我院王鹏教授课题组近年来在先进球差矫正透射电镜三维重构技术、原位测试技术的开发等领域取得了诸多进展。团队开发的原位光电测试平台成功实现了原子尺度分辨下对样品的光电联合原位观察,已获得两项国家发明专利授权(20151047575852015104769008)。

忆阻器,是一种基于“记忆”外加电压或电流历史而动态改变其内部电阻状态的电阻开关。由于拥有超小的尺寸,极快的擦写速度,超高的擦写寿命,多阻态开关特性和良好的CMOS兼容性,忆阻器被业内视为可应用在未来存储和类脑计算(神经形态计算)技术的重要候选者。然而,基于传统氧化物材料的忆阻器在高温和承受压力等恶劣环境下,会出现器件的失效,远远无法满足航空航天、军事、石油和天然气勘探等应用中对于电子元件耐热性的需求。因此,寻找新材料和新结构来提升忆阻器在恶劣环境下工作的可靠性成为忆阻器研究的一个重要挑战。

1 自然-电子学杂志报道中的图片 (a)石墨烯-二硫化钼-石墨烯忆阻器结构示意图;(b)光镜照片;(c)器件截面的HAADF图像;(d)石墨烯-二硫化钼界面的HRTEM(高分辨透射电镜)图像,显示了原子尺度平整的界面。

南京大学物理学院缪峰教授课题组近年来围绕二维材料电子器件应用开展了系统的工作,在包括场效应电子器件、红外光电探测器件等领域已取得一系列成果。在此工作中,他们利用二维层状硫氧化钼(氧化二硫化钼)以及石墨烯构成三明治结构的范德华异质结,在世界上首次实现了基于全二维材料的、可耐受超高温和强应力的高鲁棒性忆阻器,为推动忆阻器在高温电子器件和相关技术领域的应用迈出重要一步。团队利用二维材料定向转移的工艺,将石墨烯、硫氧化钼、石墨烯堆叠在一起形成具有原子级平整度界面的范德华异质结,如此高质量的界面是基于传统氧化物材料的忆阻器所无法实现的。测试结果显示这种基于全二维材料的异质结能够实现非常稳定的开关:可擦写次数超过千万次(107),擦写速度小于100 ns,并且拥有很好的非挥发性。团队发现该结构的忆阻器能够在高达340的温度下稳定工作并且保持良好的开关性能,创下了忆阻器工作温度的新记录(此前发表的最高记录为200)。

为探明这一新型器件耐热性的来源及微观工作机制,王鹏教授课题组在自行开发的原位测试平台上设计并开展了对实际工作中的忆阻器器件的原位研究。对氧化二硫化钼原位加热表征的结果显示二硫化钼在800℃下依然保持了完整的晶体结构,其热稳定性可能是器件优异的高温性能的来源。随后他们利用聚焦离子束(FIB)在芯片上成功制备了厚度<50纳米的满足电镜表征要求的原位器件样品,通过低压球差矫正透射电镜对样品在不同工作状态下的HAADF(高角环形暗场像)及X射线能谱表征进一步清楚地揭示了该忆阻器中基于氧离子迁移的工作机制。结果显示,该忆阻器中的导电通道在开关过程中一直被具有超高热稳定性的单晶石墨烯和层状硫氧化钼很好地保护着,保证了导电通道在高温擦写过程中的稳定性。最后,团队将该忆阻器置于柔性衬底聚酰亚胺上,发现器件在大于0.6%的形变应力下伸曲1200次之后同样能够稳定地工作。

2 自然-电子学杂志报道中的图片 (a)(b)(c)原位器件样品在初始态、开态及关态的HAADF图像变化;(d)(e)(f)由X射线能谱统计的对应区域原子分布的变化;(g)(h)(i)根据原位测试结果总结的器件工作机制模型。

201825日,该工作以《基于层状二维材料的高鲁棒性忆阻器》(Robust memristors based on layered two-dimensional materials)为题发表在《自然·电子学》杂志上(Nature Electronics (2018) doi:10.1038/s41928-018-0021-4),这也是南京大学在该期刊发表的首篇论文。物理学院博士生王淼和现代工程与应用科学学院博士生蔡嵩骅为论文的共同贡献第一作者,我院王鹏教授、物理学院缪峰教授和马萨诸塞大学的杨建华教授为该论文的共同通讯作者。这项研究工作不仅展示了二维层状材料异质结构在忆阻器领域中的巨大应用前景,对未来极端环境下电子元件的设计与研究有着重要的指导意义;同时也指出,因为二维材料异质结构可以结合不同二维材料的优异性质,也给人们提供了一种解决其它领域电子器件技术挑战的可能的通用途径。

该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及国家杰出青年科学基金、科技部“量子调控”国家重大科学研究计划(青年科学家专题)项目、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等项目的资助。


==============================期刊介绍========================

作为自然科研品牌旗下近期推出的新期刊,《自然·电子学》(Nature Electronics)面向学术界和工业界,旨在发表电子学领域所涵盖的基础研究和应用研究的最新原创性成果,侧重报道新兴技术的发展及其对社会变革的重大影响。官网:http://www.nature.com/natelectron/

原文链接:http://www.nature.com/articles/s41928-018-0021-4

(王鹏 供稿)