河大閆小兵團隊&深大張晗團隊Mater. Horiz.綜述：基于二維材料的憶阻器——現狀與展望

【引言】

在當今的大數據時代，龐大的數據量要求下一代非易失性存儲器（NVM）技術具備存儲容量大和讀寫速度快等特點。電阻式隨機存取存儲器（RRAM）、磁性隨機存取存儲器（MRAM）、相變存儲器（PCM）等新型NVM應用而生，表現出了永久性存儲和讀寫速度快等優點，其中，憶阻器通過開關電阻狀態來實現信息存儲和輸出，而納米級尺寸使得其有可能用于高密度和大規模集成。

憶阻器作為一種應用前景廣闊的非易失性存儲設備，可有效模擬突觸結構，并啟用神經形態系統，因此受到了廣泛關注。近年來，二維材料因其獨特的優勢被廣泛應用于憶阻器中，不僅提高了憶阻器的性能，而且還促進了憶阻器在柔性電子、低功耗、高溫設備、神經形態計算等方面的發展。

【成果簡介】

近期，河北大學閆小兵教授和深圳大學張晗教授（共同通訊作者）等人基于二維材料憶阻器的快速發展，總結了二維材料在憶阻器中的應用及其物理開關機制，并對其存在的挑戰和發展前景進行了討論。首先，作者對石墨烯及其衍生物、過渡金屬硫化物（TMDs），以及包括BN、黑磷、鈣鈦礦等在內的其他二維材料基憶阻器的現狀進行了討論。隨后，又總結并探討了憶阻器的三大物理開關機制。最后，對二維材料在憶阻器領域的應用進行了總結，并提出了未來的研究方向。該綜述以題為“Current Status and Prospects of Memristor Based on Novel 2D Materials”發表在Materials Horizons上。

【圖文導讀】

圖1.? 2D材料基憶阻器及其開關機制總覽圖

圖2.? Ag/GO/ITO器件的雙極開關特性

(a, b) Ag/GO/ITO器件的光學照片及I-V曲線；

(c) Ag/GO/ITO器件的I-V曲線，其中GO膜退火溫度為20℃，插圖為器件示意圖；

(d) 器件的保留特性曲線。

圖3. ?石墨烯電極憶阻器的基本特性

(a, b) 轉移在玻璃基底上的MLG及組裝成器件后的光學圖片；

(c，d) 線性及非線性導通態MLG/TaO_y/Ta₂O_5–x/MLG 器件的雙極RS特性曲線；

(e) 聚合物輔助剝離MoS₂圖示及其I-V曲線；

圖4.? Ag/MoS₂/Ag/MoS₂/Ag 憶阻器的基本特性

(a-c) Ag/MoS₂/Ag/MoS₂/Ag 憶阻器圖示(a)及其室溫I-V曲線 (b)，(c) 為其對數坐標下的I-V曲線 ；

(d, e) MoO_x/MoS₂儲存器的基本I-V曲線 (d)，(e)為其電容和電阻部分；

(f) 不同TE材料憶阻器的I-V曲線；

(g) GMG器件的示意圖及橫截面圖示；

(h) 測量設備及對應圖片；

(i) GMG器件的典型開關特性曲線；

(j) 1μm脈沖寬度下可獲得2×10⁷的高耐久性；

(k, l) V_g=40 V下，憶阻器的原理圖及局部I-V曲線；

(m, n) 憶阻器的們可調性曲線及不同V_g二等分GB憶阻器的典型I-V曲線

圖5.? Pd/WS₂/Pt 憶阻器件的基本特性

(a, b) 經典的I-V特性曲線及與其他文獻中報道的操作電流的對比；

(c) 13 ns的開啟速度；

(d) 14 ns的關閉速度。

圖6.? MoTe2基憶阻器的基本特性

(a) MoTe₂垂直器件圖示及光學、SEM圖像；

(b) 電鑄后Mo_0.96W_0.04Te₂ RRAM器件的I-V曲線；

(c) V_set值與材料厚度的對應關系。

圖7.? BN基憶阻器的基本特性

(a, b) Ti/thin h-BN/Cu器件的結構圖示及憶阻器的經典I-V曲線；

(c, d) 單層h-BN交叉開關器件中雙極性和單極性開關響應的I-V曲線；

(e, f) Au箔、Ni箔基單層h-BN器件的I-V曲線。

圖8.? 鈣鈦礦基憶阻器的基本特性

(a) Ag CFs的形成與斷裂圖示；

(b, c) 光照下Ag/CH₃NH₃PbI_3-xCl_x/FTO的I-V曲線及能級示意圖。

圖9.? GaSe基憶阻器的基本特性

(a, b) Ag/GaSe/Ag器件的I-V曲線及50次數據循環曲線；

(c) 圖 (a)中I-V曲線的擬合結果；

(d) Ag/GaSe金屬半導體結的能級圖。

圖10.? Ti/thin h-BN/Cu憶阻器的絲開關機制

(a) BN器件的I-V曲線表明其具有雙極RS；

(b, c) 該器件原始位置（LRS）和GB / CF位置的電子能量損失譜（EELS）橫截面分析。

圖11.? Ag TE/hBN/Cu憶阻器的物理開關機制

(a) 導電細絲的TEM圖像；

(b, c) 低電阻狀態下該器件的STEM圖像及EDS圖；

(d, e) 非完全接觸Cu 底電極時，導電細絲的TEM圖像及對應的HRTEM圖像；

(f, g) Ag 導電細絲的HRTEM圖像，h-BN基器件的導電細絲生長原理圖。

圖12.? AZA器件的Ag物理開關機制

(a) I-V曲線的擬合結果

(b, c) AZA器件的TEM圖像和元素分布圖像；

圖13.? Ag/GaSe/Ag憶阻器的物理開關機制

(a) V_ds=0的原始狀態；

(b) Ga空位導電細絲的生長過程；

(c) 源漏極通過導電細絲導通；

(d) 導電細絲的斷裂過程。

圖14.? Ag/MoO_x/MoS₂/Ag憶阻器的物理開關機制

(a-c) MoO_x/MoS₂憶阻器示意圖，SEM圖像及XPS剖析圖；

(d) 表層Mo的氧化程度；

(e-g) EDS線掃剖析圖；

(h-j) GMG器件的物理開關機制原理圖。

圖15.? WS₂基憶阻器的物理開關機制

(a, b) LRS中WS₂納米片及薄膜的TEM圖像；

(c) 圖a和圖b對應區域的W原子線剖析圖。

圖16.? Al/Ti₃C₂T_x/Pt憶阻器的物理開關機制

(a-d) LRS和HRS的擬合曲線及對應的I-V曲線；

(e) Ti₃C₂T_x到TiO₂的氧化；

(f-h) 白點區域有原子空穴，而黃點區域則沒有，圖g和h分別為其對應的線剖析圖；

(i-o) Ti₃C₂T_x薄片在原始狀態和LRS下的XPS深度剖析圖；

(p) 在Ti₃C₂T_x薄片不同深度下HRS和LRS的氧含量曲線。

圖17.? W/MoS₂/ p-Si憶阻器的物理開關機制

(a) 左圖為具有局部電位波動的單層MoS₂的能帶結構，右圖為具有懸浮Si-O鍵的MoS₂\SiO₂界面；

(b) MoS₂/ p-Si結的物理開關機制示意圖。

【小結】

本文總結了諸如石墨烯、TMDs、BN、黑磷、鈣鈦礦和GaSe等二維材料在憶阻器領域中的應用，并分別對其二維系統的結構和特性進行了分析。基于2D材料的憶阻器具有多種物理切換機制，包括導電細絲、原子空位以及電子捕獲和脫離機制。此外，憶阻器的研究對類腦計算和人工智能有著重大的影響，基于2D材料的憶阻器在未來具有廣闊的發展前景。

原文鏈接：Current Status and Prospects of Memristor Based on Novel 2D Materials (Mater. Horiz., 2020, DOI: 10.1039/C9MH02033K.)

【團隊介紹/通訊作者簡介】

閆小兵教授，河北大學電子信息工程學院副院長、特聘教授、博士生導師。美國IEEE高級會員，河北省杰青、三三三人才二層次。長期從事憶阻器相關研究。以第一和通信作者發表論文超過60余篇，包括Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Mater. Horiz.等權威雜志。中國青年科技工作者理事，河北青年五四獎章獲得者，河北青聯常委。先后獲得霍英東青年教師獎、河北省青年科技獎。

張晗教授，男，1984年出生，深圳大學特聘教授、深圳市黑磷工程實驗室主任、博士生導師。美國光學學會會士、基金委“優青”、科睿唯安“高被引科學家（2018/2019）”、廣東省科技領軍人才等。長期從事低維材料光電器件相關研究，以通訊作者發表中科院一區論文超過100篇，包括Physics Reports2篇、PNAS 1篇、Science Advance 2篇、Nature Communications 6篇等；論文總被引超過26000次，H因子為85。張晗教授擔任多個SCI期刊專題主編/編委、中國激光青年編委會秘書長、全國光學青年學術論壇第二屆主席團副主席。科研成果獲得教育部自然科學二等獎、中國產學研合作創新獎、中國光學十大進展、廣東省丁穎科技獎、深圳市青年科技獎、深圳市自然科學獎等。

本課題組招聘優秀的博后和研究員，歡迎投遞簡歷至506180626(at)163.com；947935449(at)qq.com。要求：光學、化學、生物等理工科方向，發表1-2篇SCI論文，35歲以內；從事二維納米材料者優先。

文獻推薦：

1. Self-Assembled Networked PbS Distribution Quantum Dots for Resistive Switching and Artifcial Synapse Performance Boost of Memristors. (Adv. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201705320)

2. Memristor with Ag-cluster-doped TiO2 films as artificial synapse for Neuroinspired computing. (Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201705320)

3. Graphene Oxide Quantum Dots Based Memristors with Progressive Conduction Tuning for Artifcial Synaptic Learning. (Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201803728)

4. Designing carbon conductive filament memristor devices for memory and electronic synapse applications. (Mater. Horiz. DOI: 10.1039/C9MH01684H)

5. The Rise of 2D Photothermal Materials beyond Graphene for Clean Water Production. (Adv. Sci. DOI: 10.1002/advs.201902236)；

6. Nonlayered Tellurium Nanosheets: Facile Liquid‐Phase Exfoliation, Characterization, and Photoresponse with High Performance and Enhanced Stability. Adv. Funct. Mater. 2018, 28 (16), 1705833–1705844. https://doi.org/10.1002/adfm.201705833

本文由 ?深海萬里 ?編譯整理。

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