Adv. Mater.中科院微電子所:石墨烯提高陽離子基存儲器件穩定性

【引語】

陽離子基電阻式開關存儲器件由于其結構簡單以及在非易失性存儲器（NVM），邏輯電路，神經元計算等應用上優異的性能吸引了廣泛的注意。該種開關存儲器主要由一種三明治結構構成，中間一層是固體電解質材料，作為電阻開關層。上層是電化學活性電極（例如Cu，Ag，Ni等），底層一般是Au，Pt，W作為電極。在電刺激下，固體電解質層中納米導電絲（CF）的會形成和溶解，因此電阻存儲器件可以在高阻和低阻狀態下切換。

【成果簡介】

中科院微電子所的劉琦研究員（通訊作者）和劉明院士（通訊作者）的團隊發現在各種的陽離子基存儲器件中的負SET行為會對器件的穩定性產生巨大的影響，該團隊利用透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散譜（EDS）分析，在Ag/ZrO2/Pt存儲器件中直接觀察到Ag的細絲生長穿過ZrO2層，進入Pt層中，而Pt中的Ag會充當陽離子源導致負SET行為的產生，從而導致器件重置失敗。為了解決這個問題，該團隊在電阻轉換層（RS layer）和Pt電極之間增加了石墨阻擋層。實驗結果表明石墨烯阻擋層的加入有效抑制了Ag細絲過度生長到Pt中，大大的提高了器件的穩定性和應用前景。

【圖文介紹】

圖1 : Ag/ZrO2/Pt存儲器件的電阻開關特性

圖a : Ag/ZrO2/Pt器件在直流電壓掃描模式下的負-SET行為

圖b : 從20個樣品中收集而來獲得了正-FORM，負-REST和負-SET 電壓的統計圖表

圖c : 脈沖測量系統的示意圖

圖d : 在脈沖模式下器件的V-t曲線

圖2 : 在負-SET運行之后，Ag/ZrO2/Pt器件 的HRTEM和EDS結果分析

圖a、b : Ag/ZrO2/Pt器件 的HRTEM和STEM-BF圖像，a圖中的兩條紅線間的區域是CF（conductive filament）區，和b區中的紅色方框區域相對應

圖c : b圖紅色方框區域的Zr，Ag和Pt的元素映射圖像，Ag/ZrO2和ZrO2/Pt的邊界分別用兩條白色虛線表示，Ag 的CF 在Ag元素映射圖中用兩條紅線標記

圖d : 圖中展示了 b圖中方框內4個紅色圓圈區域相應的EDS圖譜

圖3 : 在ON-state情況下，Ag/ZrO2/Pt器件 的HRTEM和EDS結果分析

圖a 、b ：分別是在ON-state下，Ag/ZrO2/Pt器件 的HRTEM和STEM-BF圖像。a圖中的兩條紅線間的區域是CF（conductive filament）區，和b區中的紅色框區域相對應

圖c : b圖紅色方塊區域的Zr，Ag和Pt的元素映射圖像，Ag/ZrO2和ZrO2/Pt邊界分別用兩條白色虛線表示，Ag的 CF 在Ag元素映射圖中用兩條紅線標記

圖d : 圖中展示了 b圖中方框內4個紅色圓圈區域相應的EDS圖譜

圖4: Ag/ZrO2/Pt存儲器件的電阻開關特性

圖a : 圖中展示了直流電壓掃描模式下Ag/ZrO2/Pt器件的I-V曲線。在電壓增加到-4Vs時，在REST過程中并沒有并沒有觀察到負-SET行為

圖b : 在脈沖模式下器件的V-t曲線

圖c : 圖中展示了Ag/ZrO2/Pt器件的開關速度。?t2是由傳輸線引起的延遲，開關速度是?t1和?t2相減的結果。實驗結果表明在4V的脈沖下，器件可以在30ns內完成狀態轉換

圖d : 直流電壓掃描模式下Ag/ZrO2/Pt器件的耐久測試，SET和RESET過程中施加的電壓為0→2 V和0→-3 V

圖e : 脈沖模式下Ag/ZrO2/Pt器件的耐久測試，SET和RESET的脈沖電壓分別是2V（1μs）和-3V(1μs)

圖f : 室溫下BRS和LRS的保留試驗

圖5 : Ag/ZrO2/Pt和Ag/ZrO2/G/Pt器件的開關機制

圖a : 初始狀態Ag/ZrO2/Pt器件的結構示意圖

圖b : 正電壓下，ZrO2中CF形成，然后擴展到Pt電極中

圖c : 在負電壓下，CF在Pt電極附近部分斷裂，Ag析出物仍殘留在Pt電極中

圖d : 當加載上更高的負電壓時，在RESET過程中，斷裂的CF因為殘留在Pt電極中Ag發生電遷移和氧化還原而被修復，會導致器件出現意外的負-SET行為

圖e : Ag/ZrO2/G/Pt器件的結構示意圖

圖f : 在正電壓下，Ag CF生長在ZrO2層內并停止在A / ZrO2 / G/Pt器件中的石墨烯層。石墨烯阻擋層使得Ag中沒有沉淀在Pt電極中

圖g : 在負電壓下，Pt電極附近的部分CF被修復

文獻連接 ：Eliminating Negative-SET Behavior by Suppressing Nanofilament Overgrowth in Cation-Based Memory? (Adv. Mater, 2016, DOI:10.1002/adma.201603293)

本文由材料人電子電工學術組徐瑞供稿，材料牛整理編輯。

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