東北師大&復旦大學AFM：鈣鈦礦憶阻器的光電協同初始化新策略

【研究背景】

憶阻器具有功耗低、讀寫速度快、集成密度高等優勢，在信息存儲、類腦計算等領域有重要應用，被視為推進信息技術發展的變革性技術。自2008年惠普實驗室報道基于TiO₂的首個憶阻原型器件以來，研究人員發展了包括金屬氧化物、二維材料、有機材料在內的多種憶阻材料。由于有機-無機雜化鈣鈦礦自身離子具有可遷移特性，特別是其具有光敏感電子/離子傳輸特性，能夠形成多種獨特的光電耦合，為發展高性能憶阻器提供了可能。

通常憶阻器在運行之前需要經歷一個大電壓激勵的初始化過程，為后續阻變提供適量的可遷移缺陷。然而，器件的寄生電容會產生電流過沖效應，導致材料內部缺陷增殖，造成導電通道過度生長，致使材料失效，嚴重影響器件工作穩定性和擦寫耐久性。微觀上，材料中離子遷移勢壘過高導致初始化電壓過大，是加重電流過沖的主要原因。因此，發展溫和可控的初始化方法降低離子遷移勢壘，是解決問題的關鍵。

【成果簡介】

最近，東北師范大學徐海陽教授、劉益春教授課題組與復旦大學周鵬教授合作，提出光電協同器件初始化的全新策略，在器件電初始化過程中引入光輻照，有效抑制了電流過沖效應，避免了初始化過程中缺陷的過量增殖和導電通道的過度生長，實現了雜化鈣鈦礦憶阻器件阻變參數穩定性和擦寫循環耐受性的顯著提升，并獲得了低功耗憶阻器件。實驗結果表明：一方面，光輻照能夠誘導鈣鈦礦晶格膨脹，降低離子遷移勢壘，實現過沖電流近10倍的削減。另一方面，光輻照產生的薄膜光電導具有分流效應，減少流經導電通道的過沖電流。該方法在光敏感憶阻材料中具有一定的適用性，為發展高可靠、低功耗憶阻器件以及基于憶阻器的光電耦合新功能提供了一種新的思路。研究成果以題為“Photoassisted Electroforming Method for Reliable Low-Power Organic–Inorganic Perovskite Memristors”發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上，并被選為當期背封面做簡要介紹。

【圖文導讀】

圖一、憶阻器導電通道過度生長模型，電流過沖效應分析示意圖及MAPbI₃材料/器件表征

a）憶阻器電流過沖效應導致的過度生長的導電通道模型示意圖。

b）憶阻器電流過沖效應等效電路圖，過沖電流（I_OV）可以流經兩條平行路徑：導電通道（I_OV-CF）和薄膜（I_OV-Film）。

c，d）MAPbI₃憶阻器光電協同初始化示意圖和器件橫截面SEM圖像。

e）MAPbI₃薄膜的吸收光譜（紅線）和初始化所用光源的發光光譜（藍線）。

圖二、有/無光照情況下MAPbI₃憶阻器初始化過程的過沖電流

a）MAPbI₃憶阻器在有/無光照情況下的初始化I-V曲線（掃描方向用箭頭標記）。

b）有/無光照情況下器件初始化的關閉電流與限制電流關系。

c）過沖電流的測量系統電路圖。

d）電初始化及光電協同初始化器件過沖電流測試結果。

圖三、MAPbI₃憶阻器有/無光照初始化后的阻變性能比較

a-b）兩種初始化方法后的器件循環阻變曲線。

c-f）兩種初始化方法后的器件的電壓電阻數值分布。

圖四、低限制電流下有/無光照初始化后器件功耗/能耗對比

a）電壓掃描模式下兩種初始化方法器件阻變曲線（插圖為初始化曲線）。（b）脈沖編程模式下兩種初始化方法器件擦寫曲線。

圖五、光強度對光電協同初始化過程影響

a）在不同光強（0、50、100、150、200和250 mW cm^-2）下測得的MAPbI₃憶阻器的初始化I-V曲線。

b）不同光強初始化下的過沖電流。

c-d）光強與器件初始化電壓和過沖電流關系圖。

圖六、光強度對光電協同初始化過程影響

a）在不同入射光波長（415、543和825nm）下的MAPbI₃憶阻器的初始化I-V曲線。

b-e）光波長對器件過沖電流影響及其關系圖。

圖七、光照對MAPbI₃中碘離子遷移勢壘影響

a）脈沖模式下初始化測試系統電路圖。

b）MAPbI₃憶阻器典型的脈沖電壓初始化響應曲線。

c-d）有/無光照條件下不同溫度對應發器件初始化曲線。

e）測定碘離子遷移勢壘E_a的阿列紐斯曲線。

圖八、MAPbI₃薄膜的光電導/光電流的表征

a）用于光電流測試的平面Al/MAPbI₃/FTO器件示意圖。

b）Al/MAPbI₃/FTO器件的快速光電響應。

c-d）MAPbI₃薄膜的表面形貌及光照下相應光電流分布的原子力顯微表征。

【全文總結】

本文提出了一種簡單的、溫和的光電協同初始化方法來提高MAPbI₃憶阻器的性能，并在實驗基礎上深入探討了該方法的作用機理。結果表明：在電初始化過程中引入光輻照，可降低碘離子遷移勢壘并使得薄膜產生光電導。這兩個因素都會降低電流過沖效應影響，有效抑制導電通道過度增長，提升工作穩定性和耐久性，并獲得低功耗憶阻器件。該方法在光敏感憶阻材料中具有一定的適用性，為發展高可靠、低功耗憶阻器件以及基于憶阻器的光電耦合新功能提供了一種新的思路。

文獻鏈接：Photoassisted Electroforming Method for Reliable Low‐Power Organic–Inorganic Perovskite Memristors (Adv. Funct. Mater. 2020, 1910151;DOI: 10.1002/adfm.201910151)

【課題組介紹】

劉益春，東北師范大學教授，博士生導師。現任國際發光會議（ICL）程委會委員（2020大會主席）、國際II-VI族化合物材料會議顧委會委員、WILEY國際學術期刊《InfoMat》副主編。國家杰出青年科學基金獲得者，中國科學院百人計劃，教育部跨世紀優秀人才。長期從事氧化物半導體材料與信息器件領域的科研與教學工作，相關成果作為第一完成人榮獲國家自然科學二等獎2項、國家教學成果一等獎1項。

?周鵬，博士，現為復旦大學微電子學院教授，博士生導師。主持了國家自然科學基金杰出青年、應急、優秀青年科學基金以及上海市科技創新計劃等項目，作為課題組長參與了科技部國家重大專項、重點研發計劃項目等多個項目。獲得了中組部萬人計劃科技創新領軍人才、科技部中青年科技創新領軍人才、上海市青年科技啟明星、上海市曙光計劃等人才計劃支持。受邀撰寫專著3章，已授權中國發明專利13項。近三年受邀在國內外會議做邀請報告30余次。擔任了國際期刊Infomat的副主編，是中國物理學會半導體專業委員會委員，中國真空學會常務理事。作為客座編輯主持了Small、Advanced Electronic Materials和Nanotechnology等期刊專刊。受邀撰寫了Nature Nanotechnology，Advanced Electronic Materials，Science Bulletin等期刊綜述。近五年第一/通訊作者發表SCI論文57篇,包括2篇Nature Nanotechnology, 1篇Nature Electronics，3篇Advanced Materials，6篇Advanced Functional Materials，3篇ACS Nano，1篇Nano Lett，4篇Advanced Science等。

本文由大兵哥供稿。

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