深大韓素婷副教授&周曄AM：基于無機鈣鈦礦量子點的光控多級阻變存儲器

【引言】

信息的記錄、存儲與傳播一直是推動人類社會歷史進步的動力。隨著科學技術的飛速發展，日常生活中人們的信息總量呈爆炸性增長。這就要求我們可以有存儲容量更大、讀寫速度更快、 功耗更低、單位存儲體積更小的高性能存儲器以滿足指數增長的信息存儲的需要。作為半導體市場終端產品的一部分及半導體市場的核心組成之一，非易失型存儲器被預測在 2022 年的產值達到 805 億美元。?隨著產品需求和終端市場的不斷豐富，存儲器行業有望獲得一個更穩定的增長模式。?阻變存儲器是利用薄膜材料在電激勵條件下薄膜電阻在不同電阻狀態（高阻態和低阻態）之間的互相轉換來實現數據存儲的，因其微型化的巨大潛力，有望成為下一代非易失型存儲器。但是即使電阻轉變的機理支持器件尺寸不斷減小，存儲密度的提高也依賴于微電子加工技術的不斷進步。然而微加工技術的進步正面臨越來越大的挑戰，為了獲得微型化器件所需要付出的代價也越來越大。作為一種提高內存密度的新技術已經提出了存儲單元的乘法，儲藏多級數據到每個單存儲單元來提高存儲密度，這個技術在不增加成本的前提下使得存儲密度成倍的增長。光控多級存儲概念可以有效解決信息處理器和內存之間的擁塞瓶頸，從而成為提高存儲密度的有效途徑。同時隱藏在阻變存儲器背后的電阻轉變機理仍不夠清晰，主要的機理分為導電細絲機理、電荷捕獲和釋放機理以及氧化還原機理三類，其中導電細絲機理是最為普遍認可的阻變機理。由于導電細絲的形成具有隨機性和不均勻性，目前對于這種機制的研究仍需依靠昂貴的儀器和復雜的制樣技術，耗費大量的人力和物力資源。因此如何通過簡單高效的方法研究導電細絲機理仍是一個難題。

【成果簡介】

近期，針對上述技術問題和挑戰，深圳大學韓素婷副教授和周曄研究員等發表了題為“Synergies of electrochemical metallization and valance change in all-inorganic perovskite quantum dots for resistive switching”的研究論文。文章通過將無機鹵素鈣鈦礦量子點應用在阻變存儲器中，系統性研究不同光照條件對存儲器阻變性能的影響，對今后光控存儲器的開發具有一定的指導意義。同時利用SEM、EDX技術對水平結構器件進行動態監測。在阻變存儲器機理研究領域方法新穎，具有可借鑒推廣性。為實現高性能存儲器的制備提供了一種簡單高效的理論研究方法。該項工作為下一代高性能存儲器的開發提供了新思路。

相應工作以“Synergies of electrochemical metallization and valance change in all-inorganic perovskite quantum dots for resistive switching”為題，發表在Advanced Materials（2018,?1800327）上，第一作者為深圳大學電子科學與技術學院王燕博士。

【圖文導讀】

圖1 鈣鈦礦量子點材料的表征

1. 所制備的CsPbBr3 量子點陣列的XRD圖譜; 插圖是CsPbBr3的晶體結構圖。

2. CsPbBr3 量子點的TEM圖像; 插圖是量子點的直徑分布。

3. CsPbBr3 量子點的HRTEM圖像。

4. CsPbBr3 量子點的EDX元素分布。

5. CsPbBr3 量子點陣列的紫外-可見光譜。

6.穩態OPE（λex= 400nm）PL光譜。

7. 瞬態PL光譜（λex= 400nm）。

圖2 器件阻變性能示意圖

1. 基于CsPbBr3 量子點的RRAM器件制造的示意圖。

2. CsPbBr3量子點陣列的AFM圖像。

3. Ag / PMMA / CsPbBr3 QD / PMMA / ITO器件的橫截面SEM圖像側視圖。

4. 器件的電流-電壓（I-V）圖。

5. 具有不同掃描電壓范圍的I-V特性。

6. 濃度依賴的I-V圖。 CsPbBr3 QDs溶液的濃度在3,0.5至1.0mg / ml之間變化。

7. 器件在六種不同閾值電流下的I-V特性。

8. 器件在彎曲曲率為15 mm半徑時的I-V特性。

9. I-V曲線正向電壓部分的機理分析。

1. 基于CsPbBr3 QD的器件的邏輯示意圖。

2. 在暗處或在UV燈（光波長：365nm）下測量的ITO / PMMA / CsPbBr3 / PMMA / Ag結構器件的典型I-V特性，其輻照度在041,0.069,0.129至0.153mW / cm²之間變化。

3. 器件在HRS下的光響應曲線，在5V下用UV光脈沖刺激（光波長：365nm，光強度：0.153mW / cm 2）測量。

4. 有光照和無光照的保持性能。

5. 在黑暗條件下100個樣品的導通電流和截止電流的統計分布。

6. 在黑暗條件下100個樣品的SET和RESET電壓的統計分布圖。

7. 不同光照條件下的耐久性測試結果

8. 在光照下100個樣品的開啟電流和關閉電流的統計分布。

9. 在光照下100個樣品的SET和RESET電壓的統計分布圖。

1.基于不同金屬電極的存儲器件的I-V特性。

2. 在低偏壓刺激后在Ag / CsPbBr3 / Ag器件的SEM圖像中觀察到的Ag導電細絲的形成趨勢。

3. 在Ag / CsPbBr3 / Ag器件的SEM圖像中觀察到的Ag導電細絲的最終形成。

4. 器件初始狀態的模擬圖。

5. 在黑暗條件下的器件的SET過程模擬圖。

6. 在UV照射下的器件SET過程模擬圖。

7. 器件在初始狀態下的能帶示意圖。

8. 器件在黑暗條件下的SET過程示意圖。

9. 器件在UV照射下的SET過程示意圖。

1. RRAM柵控晶體管器件的制備示意圖。

2. P型FET器件的傳輸曲線。 插圖是柔性RRAM柵控晶體管器件的光學照片。

3. 不同光照條件下的器件存儲器窗口。

4. RRAM柵控晶體管器件的耐久性。

5. RRAM柵控晶體管器件的機械穩定性測試。

【結論與展望】

我們首先介紹一種基于CsPbBr3量子點的光控阻變存儲器，CsPbBr3量子點一種典型的全無機鈣鈦礦材料，具有出色的光電性能和優選的穩定性。與基于有機無機雜化鈣鈦礦的阻變存儲器相比，全無機鈣鈦礦的阻變存儲器由于其高重復性和穩定性而更具競爭力。此外，通過偏置電壓和光照射的組合獲得更大的開關比和多級數據存儲，并且可以通過紫外光加密存儲的數據。此外，FE-SEM和EDX分析用于研究基于全無機鈣鈦礦量子點的阻變存儲器的阻變轉換機制。通過對低阻態時CsPbBr3 量子點薄膜中元素分布的分析，由外部電場和光照射驅動的金屬導電細絲和Br離子空位細絲的形成和湮滅可導致明顯的電阻轉換效應。通過將基于CsPbBr3量子點的阻變存儲器與p型晶體管耦合，進一步證明了顯示閃存的類似功能的光調控阻變存儲器柵控晶體管器件。電化學金屬化和價態變化在基于全無機鈣鈦礦量子點的光控阻變存儲器中的協同效應可能有助于深入了解鈣鈦礦材料的實際邏輯電路應用。

文章鏈接：?https://doi.org/10.1002/adma.201800327

【作者簡介】

王燕，深圳大學電子科學與技術學院博士后，研究方向：基于鈣鈦礦材料的光電存儲器件。以第一作者在Adv. Mater.、JMCA等雜志發表7篇。

周曄教授，深圳大學高等研究院研究員。研究興趣包括基于功能材料的信息存儲與信息傳感。他在Nat. Commun.(1篇)、Mater. Today（1篇）、Adv. Mater.（9篇）、Mater. Horiz.(2篇)、ACS Nano（1篇）、Adv. Sci. (2篇)、Small（5篇）、ACS AMI(6篇)、JMC系列（9篇）、Nanoscale（3篇）、APL（3篇）等國際權威期刊發表SCI論文60余篇，其中封面文章與卷首文章10篇，被Nat. Photonics, Nat. Rev. Mater., Nat. Nanotechnol.,Nat. Commun., Sci. Adv.等國際頂級期刊引用1200多次，H-因子19。在微電子材料與器件研發領域發表國際專著2章，擁有功能電子器件方面的授權美國發明專利3項，授權中國發明專利1項。長期為ACS Appl. Mater. Interfaces, Anal. Chem.,Nanoscale, J. Mater. Chem. A, Green Chem., J. Mater. Chem. C等國際期刊審稿和仲裁，擔任廣東省重大專項、廣東省自然科學基金、江西省自然科學基金、深圳市科創委的函評專家和會評專家。

韓素婷，深圳大學電子科學與技術學院副教授，廣東省杰出青年基金獲得者。2014年獲得香港城市大學物理及材料科學系哲學博士學位，主要從事非易失型存儲器領域的研究工作，現正主持國家自然科學基金、教育部、廣東省科技廳、廣東省教育廳和深圳市科創委等多個縱向項目。自2010年起已在Nature Communications （1篇），Materials Today （1篇），Advanced Materials （9篇），ACS Nano （1篇）， Materials Horizons （1篇），Advanced Science (2篇)，Small（4篇）等國際頂級期刊發表了柔性存儲器領域相關高水平論文60余篇，SCI引用次數超過1200次，H因子18 （google scholar citation）。其中第一作者及通訊作者論文26篇，平均影響因子12.6，8篇第一作者及通訊作者論文被選為Advanced Materials等雜志封面或卷首。獲得美國專利授權3項，撰寫國際專著兩章。獲得香港青年科學家獎最終入圍獎（2015，全港4名），香港城市大學最佳博士畢業論文獎（2014，全系唯一），周亦卿研究生院獎(2014，全系唯一)、卓越學術研究一等獎（2013，全系唯一)、杰出學術表現獎等多項獎項。

本文由作者團隊供稿，材料牛整理編輯。

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