河北大學閆小兵課題組Materials Horizons：一種碳細絲憶阻器設計及其存儲和電子突觸應用

【引言】

對于石墨烯的研究人們都在追求高質量無缺陷，而大面積制備的石墨烯存在缺陷是無法避免的，并且隨著層數增多缺陷也越多，這也是迄今為止石墨烯在電子器件中應用面臨的最重要挑戰之一。本研究設計了一種利用石墨烯缺陷邊緣碳原子不穩定性，在電場的調控下形成碳導電細絲。從而實現了具有神經調控功能的憶阻器。解決了傳統導電絲(如Ag⁺、Cu²⁺)成核隨機性和不可控性的問題，提高了憶阻器開關電壓的均勻性和穩定性，降低了憶阻器器件的功耗。這是缺陷型多層石墨烯在新型電子器件中的首次應用演示。

【成果簡介】

近日，河北大學的閆小兵課題組在Materials Horizons上發表了一篇題為 “Designing carbon conductive filament memristor devices for memory and electronic synapse applications”的文章。在這項工作中，通過電子能量損失譜和第一性原理計算首次在憶阻器中證實了碳導電細絲的存在，并通過電場調控實現了仿生神經突觸功能。這項工作突破了大面積缺陷型石墨烯在電子器件中應用的局限性，為大面積缺陷型石墨烯的應用打開了新思路。

【圖文導讀】

圖1憶阻器器件結構示意圖及電學特性。

(a)TiN/AlN/Pd(GLDs)和TiN/AlN/Graphene/Pd(GDs)器件結構圖；(b)GLDs器件60次電流電壓循環特性；(c)GDs器件 500次電流電壓循環特性；(d)GLDs器件開關電壓分布圖；（e）GDs器件開關電壓分布；（f）GLDs器件和GDs器件的保持特性；GDs 器件能夠在最高473K下保持10⁴秒。

圖2 GDs器件溫度依賴特性和導電機制的研究。

（a）高阻態的溫度依賴特性圖；（b）低阻態溫度依賴特性圖；(c) 高阻態的可變程躍遷模型及線性擬合；(d)低阻態可變程躍遷模型。

圖3 TiN/AlN/Graphene/Pt在LRS狀態下形成的納米絲的結構及組成分析。

(a) 開關區域截面的電子能量損失譜圖；(b)在圖（a）中藍色區域的放大圖；(c)圖(b)中6個點提取的碳元素含量圖；(d)圖(b)中提取的從上到下元素線分布圖；（e）GDs器件開關原理示意圖。

圖4 用于第一性原理計算的多層石墨烯和氮化鋁缺陷模型示意圖。

（a）用于第一性原理計算的多層石墨烯；(b) 1到8層的缺陷形成能；(c) C原子占據Al位點；(d) C原子占據N位點；(e) C原子占據八面體間質位點；(f) C原子占據四面體間質位點。

圖5 神經突觸示意圖和GDs神經調控。

(a) 軸突(突觸前)和樹突(突觸后)之間突觸可塑性調節的示意圖；(b)脈沖數與電導的關系；(c)-(e) 電導與脈沖間隔、寬度和振幅的關系；(e) GDs的雙脈沖易化(PPF)特性；(f) GDs器件尖峰時序依賴的可塑性（STDP）。

本工作突破了石墨烯缺陷在電子器件中應用的局限性，創造性地設計了一種基于碳導電絲機制的憶阻器。首次提出用碳原子擴散動力學模擬生物突觸內鈣離子的動力學。并且獲得了高開關穩定性和低功耗的神經形態憶阻器。電子能量損失譜實驗數據和第一性原理計算可以證明由碳原子組成的細絲的形成以及碳原子在AlN膜中的擴散可能性。 并對石墨烯層中碳原子的缺陷能進行闡述。這項工作為碳導電絲基憶阻器的發展及其在神經形態憶阻器中的應用提供了參考。

文章鏈接：

https://pubsrsc.xilesou.top/en/content/articlelanding/2020/mh/c9mh01684h/unauth

DOI:?https://doi.org/10.1039/C9MH01684H