Adv. Funct. Mater.：通過表面電荷轉移摻雜硫化鎘納米帶構筑超寬可調功率的阻變存儲器

【引言】

在過去的幾十年中，信息爆炸性增長，數據存取過程產生的能耗變得不可忽視。傳統的基于金屬-絕緣體-金屬結構的阻變存儲器具有很高的工作電流，因此數據存取過程中信號可以在沒有放大器的情況下被直接讀取，但這也將不可避免地會產生大的能耗。為了在各種實際應用中節約能耗，合理控制阻變存儲器的能耗是非常必要的。

【成果簡介】

近日，來自蘇州大學的張曉宏教授（通訊作者）和揭建勝教授（共同通訊作者）的研究團隊在Adv. Funct. Mater.發表了題為“CdS Nanoribbon-Based Resistive Switches with Ultrawidely Tunable Power by Surface Charge Transfer Doping”的文章。該研究團隊通過電荷轉移摻雜硫化鎘納米帶，并以摻雜的納米帶作為變阻器構筑阻變存儲器以控制其工作電流和功耗。通過控制表面摻雜劑氧化鉬的摻雜濃度，硫化鎘納米帶的電導率可以在9個數量級的寬范圍內調節，并顯示出從絕緣體到半導體和導體的轉變。在硫化鎘納米帶電導率可控的基礎上，制造的阻變存儲器的功耗可以在超寬的范圍內調節，其中1鈉瓦的功耗最低值是目前報道的阻變存儲器的最低值，0.1毫瓦的功耗最高值接近于金屬-絕緣體-金屬結構阻變存儲器的功耗。鑒于表面電荷轉移摻雜方法的高度可控性，該工作對發展高能效、性能可調和多功能的半導體納米阻變存儲器具有重要的意義。

【圖文導讀】

圖1：硫化鎘和氧化鉬之間的表面電荷轉移

(a): 硫化鎘和氧化鉬體系的差分電荷分布圖；

(b-c): 本征及氧化鉬摻雜硫化鎘的能帶結構；

(d): 本征及氧化鉬摻雜硫化鎘納米帶的XPS譜；

(e): 氧化鉬摻雜硫化鎘的SNOM測試示意圖；

(f): SNOM測量中散射光二次諧波的振幅；

(g): 計算得到的散射光二次諧波的振幅-硫化鎘載流子濃度曲線。

圖2：硫化鎘納米帶的電導調制

(a): 通過表面電荷轉移摻雜控制硫化鎘納米帶電導的器件示意圖；

(b): 未摻雜的和摻雜的硫化鎘納米帶的I-V曲線；

(c): 硫化鎘納米帶的電阻率與摻雜劑氧化鉬溶液濃度的關系；

(d-f): 不同摻雜程度的硫化鎘納米帶電阻率的溫度依賴性。

圖3：基于氧化鉬納米點摻雜硫化鎘納米帶的阻變儲存器

(a): 阻變儲存器示意圖；

(b): 阻變儲存器的光學顯微鏡圖像；

(c): 阻變儲存器的I-V曲線；????

(d-e): 阻變儲存器的保持和耐久性測試。

圖4：金/銅/摻雜硫化鎘納米帶/銀基阻變存儲器的工作機理

(a): 銀/硫化鎘納米帶界面的STEM圖；

(b-d): 銀/硫化鎘納米帶界面的EDS元素分布圖；

(e): 銀/硫化鎘納米帶界面的HRTEM圖；

(f): 以0.01V/s的掃描速度測量的阻變存儲器的I-V曲線；

(g): 金/銅/摻雜硫化鎘納米帶/銀基阻變存儲器的阻變過程示意圖；

(h): 不同測試溫度下阻變存儲器的I-V特性；

(i-k): 閾值電壓及工作電流的溫度依賴關系。

圖5：金/銅/摻雜硫化鎘納米帶/銀基阻變存儲器的功耗調制

(a): 不同摻雜程度阻變存儲器的I-V曲線；

(b-c): 已報道的阻變存儲器工作電流、功耗及工作電壓的總結；

(d,e): 不同摻雜程度阻變存儲器的保持和耐久性測試。

圖6：基于摻雜硫化鎘納米帶的集成和柔性器件

(a): 單根納米帶上集成6組阻變存儲器的光學顯微鏡圖像；

(b): 集成的6組阻變存儲器的I-V曲線；

(c): 在柔性PET襯底上構筑的阻變存儲器；

(d): 阻變存儲器在不同彎曲半徑下測量的I-V曲線。

【小結】

該研究團隊通過在硫化鎘納米帶上旋涂表面摻雜劑氧化鉬納米點來實現硫化鎘納米帶電阻率的寬范圍調制。通過第一性原理計算，XPS和SNOM測試證明了硫化鎘納米帶和氧化鉬納米點之間的電荷轉移現象。通過增大電荷轉移的程度，即氧化鉬的摻雜量，可以把硫化鎘納米帶的電阻率從10⁶降低到10^-3 Ω?cm，這大致對應于硫化鎘從絕緣體到半導體和導體的轉變。因此使用摻雜的硫化鎘納米帶作為變阻器單元來制造功率可調的阻變存儲器，阻變存儲器的功耗可以從超低的1鈉瓦調節至0.1毫瓦，這是迄今為止文獻報道的的最大調節范圍。此外，基于硫化鎘納米帶的阻變存儲器表現出單向導通特性，這避免了集成應用中常見的潛行電流問題。基于硫化鎘納米帶的集成及柔性器件進一步展示了它們在便攜式和可穿戴電子產品中的應用前景。在實際應用中，需要調節阻變存儲器的性能以滿足不同的需求。該工作為調節半導體基阻變存儲器的性能提供了一條可行的途徑。

【團隊介紹】

揭建勝教授長期致力于無機/有機低維半導體納米結構的制備、表征及應用研究，探索納米材料在新一代電子、光電子、能源等重要領域的應用。在Adv. Mater.（8篇）、Nano Lett.（4篇）、Adv. Funct. Mater.（6篇）、ACS Nano（3篇）、Adv. Energy Mater.（1篇） Appl. Phys. Lett.（13篇）等在內的國際重要刊物發表論文160 余篇，其中IF>10的論文20余篇，封面論文7篇。論文SCI引用5400多次，H因子=39，其中12篇論文引用超過100次，9篇論文入選ESI高被引論文。多篇論文入選最多下載與年度熱點，并有6篇論文被“Nature Materials”、“Nature China” 、“Materials Views”等期刊與網站作為亮點專題報道。申請發明專利25項，已授權12項。任英國物理學會（IOP）期刊Materials Research Express國際編委，以及中國化學快報青年編委，并擔任Nature Commun., Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Appl. Phys. Lett.等20多個國際期刊審稿人。多次應邀在國際學術會議上進行匯報、擔任分會及大會主席。2008年入選教育部新世紀優秀人才計劃，2014年獲國家自然科學基金優秀青年基金。

揭建勝教授個人主頁：http://nano.suda.edu.cn/jie-group/professor-jie.html

張曉宏教授是國家重大研究計劃項目(973)首席科學家，國家杰出青年基金獲得者，“長江學者獎勵計劃”特聘教授，“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，中國科學院“百人計劃-引進國外杰出人才”，國務院政府特殊津貼獲得者。從事研究生教育工作10余年，已培養畢業博士研究生30余名，出站博士后6名，曾獲中科院優秀教師獎；作為第1完成人獲得國家自然科學獎二等獎1項、北京市科學技術一等獎1項。張教授研究團隊長期從事有機光電材料和器件、一維半導體納米材料和器件以及有機納米材料及應用等研究方向。在包括Nat. Commun.，JACS，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Nano Lett.等國內外知名期刊發表SCI論文230余篇；共申請美國和中國專利40余項；報告國際會議論文40余次；撰寫國際專著2部（章）。

張曉宏教授個人主頁：http://funsom.suda.edu.cn/7f/8d/c2735a32653/page.htm

文獻鏈接：CdS Nanoribbon-Based Resistive Switches with Ultrawidely Tunable Power by Surface Charge Transfer Doping（Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201706577）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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