新加坡材料研究所Adv. Mater.： 基于二硫化鉬/聚合物多層異質結的可變電阻存儲器

背景介紹

隨著物聯網、人工智能、大數據、區塊鏈等現代信息技術的迅速發展，人類社會越來越依賴于信息與數據的交換與流通。我們在享受這些信息技術帶來巨大機會與便利的同時，也面臨了許多網絡攻擊與信息安全的問題。目前認為，新型硬件加密組件如真隨機數生成器、物理不可克隆電路等將有助解決這些問題。研究表明新型的可變電阻存儲器有望應用于真隨機數的產生，其中器件循環中參數變化如電報噪聲等已被認為可以作為隨機數的來源。但是，目前的可變電阻存儲應用于真隨機數產生面臨的重大問題是：在器件循環過程中，器件性能會發生明顯衰減，從而無法保證隨機數據的穩定產生。因此，研究人員提出各種方法去增強可變電阻存儲器器件的穩定性，例如在器件中加入one transistor – one resistor ?(1T-1R)。這相關的改進可以在一定程度上提高器件的運行穩定性，但同時也使得器件結構變得更加復雜，增加成本。

成果簡介

基于此，新加坡科技局(A*STAR)材料研究所（IMRE）的Chi Dongzhi研究員、Wang Shijie研究員、楊明博士（目前加入香港理工大學應用物理系擔任助理教授）與MEDINA Silva Henry?博士等人報道了通過形成二硫化鉬/聚合物異質結多層結構作為可變電阻存儲器的工作介質層（Active layer）， 器件的循環穩定性得到明顯提高。該研究團隊首先用離子濺射的方法（全球PCT專利：PCT/SG2018/050462）在二氧化硅襯底可控生長出了層狀、高質量、大面積(2英寸)的二硫化鉬多層薄膜（見圖一），然后通過改進的薄膜轉移的方法，把二硫化鉬薄膜轉移到器件基底上，通過控制轉移過程烘烤溫度， 可以在轉移的結晶二硫化鉬層狀薄膜中間形成無定型的聚合物層，然后再沉積銀金屬做為頂電極（見圖二），最終形成金（底電極）–?多層二硫化鉬/聚合物/多層二硫化鉬/聚合物/多層二硫化鉬 –?銀（頂電極）結構的可變電阻存儲器（新加坡專利：2019/5984103881V）。

新加坡材料研究所的研究團隊還系統表征了該可變電阻存儲器的性能（見圖三），發現其具有優越電性能，比如很小的驅動電壓（~0.4 V）、很大的開關比（>10⁴）、非常好的器件循環穩定性。特別引人注意的是，在超過600次器件循環中，所測的高低電阻幾乎保持不變。基于該器件優異的電性能與循環穩定性，該研究團隊提出將其應用于真隨機數的產生，通過Chi-square統計測試，發現高電阻值的分布具有最強的非關聯性，可作為理想的隨機數。該研究工作的材料生長、測試與器件制備與表征主要是在新加坡材料所完成，STEM表征是由新加坡國立大學的Pennycook教授與黎長建博士完成，另外南京航空航天大學的劉衍朋教授對器件的表征也有重要貢獻。該工作以“MoS₂/Polymer Heterostructures Enabling Stable Resistive Switching and Multistate Randomness?”為題目發表在國際著名材料學期刊 《Advanced Materials》上，其中柴劍維博士、Tong Shiwun博士, 黎長建博士與?Carlos Manzano博士是共同第一作者，Chi Dongzhi研究員、Wang Shijie研究員、楊明博士、MEDINA Silva Henry?博士是論文的通訊作者。

小結

該工作新穎地在多層二硫化鉬中間引入聚合物層，從而極大提升了相關可變電阻存儲器的性能，也闡明了其在真隨機數產生上的應用，有望應用于網絡信息與數據安全。其中離子濺射的大面積高效生長、低溫的轉移技術有潛力擴展到大規模的工業應用，也有希望進一步應用于柔性可變電阻存儲器或透明電子器件上。

文章鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002704

圖文解析

圖1：離子濺射2英寸二硫化鉬以及相關表征。

圖2：多層二硫化鉬/聚合物異質結的形成與表征。

圖3： 基于多層二硫化鉬/聚合物異質結的可變電阻存儲器電性能表征。

本文由作者團隊供稿。