FOP |【Topical Review】国家纳米科学中心刘前课题组 | 基于二维材料的新一代忆阻器的最新研究进展

【原文信息】

Zhican Zhou, Fengyou Yang, Shu Wang, Lei Wang, Xiaofeng Wang, Cong Wang, Yong Xie, and Qian Liu*, Emerging of two-dimensional materials in novel memristor, Front. Phys. 17(2), 23204 (2022)

https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s11467-021-1114-5; https://doi.org/10.1007/s11467-021-1114-5

大数据分析、物联网和人工智能技术的快速发展需要具有更快处理速度、更低功耗和更智能计算机架构的优秀电子设备和系统。忆阻器作为一种有潜力的非易失性存储器设备，近年来得到了广泛的研究。二维材料作为一种新兴材料，具有诸多不同于体相材料的特性，其出现和发展极大地加速并推动了忆阻器系统的发展，因此，基于二维材料的忆阻器被称为新一代智能忆阻器。

近日，Frontiers of Physics在线发表了国家纳米科学中心刘前研究员课题组的综述论文，该团队综述了基于石墨烯及其衍生物、过渡金属硫化物和六方氮化硼等新一代忆阻器的发展，以及其忆阻机制的研究进展。

自Strukov等人在2008年发现了蔡少棠教授在1971年提出的忆阻器以来，这种新型的非易失性存储器引起了多学科的巨大兴趣。研究人员认为传统的冯•诺依曼范式架构正面临着瓶颈和迫在眉睫的物理极限（5 nm），而应用忆阻器则能够一定程度突破这些瓶颈。目前，传统的忆阻器已有了多种新型应用，具有良好的应用前景。

忆阻器通常具有“三明治”形式的垂直结构，这种结构易于堆叠，可用于超高密度集成和低成本制造，而且可以缩放到低于10 nm的特征尺寸，并保留存储信号多年。到目前为止，忆阻器件已经展现出非常有潜力的性能，包括纳秒级开关速度、万亿次周期擦写耐久性和毫微焦耳能耗。而当引入二维材料后，忆阻器件的尺寸可以进一步缩小，甚至是原子级别。

典型忆阻器的工作原理研究通常集中在两个方面：（i）由于缺氧（或氧空位离子桥接）和阳离子迁移引起的价变记忆（VCM）;（ii）电化学金属化（ECM），由于活性金属阳离子从活性节点迁移到惰性电极。写入/复位开关过程通常包括阳离子或阴离子物质的氧化、迁移和还原，导致电介质层中导电通道的形成/破裂。切换过程可以是突变的也可以是模拟式的，基于不同切换类型，可以利用器件实现不同的功能，例如，在神经网络、和布尔逻辑电路中的应用。

在过去的十年中，石墨烯，过渡金属硫族化合物（TMD）等二维材料因其新颖的物理性质，在多样化的应用中受到了广泛的研究。这些新兴材料也已被广泛用作忆阻器件的表面电极或中间层，基于该领域报告的积极进展，作者综述了基于二维材料的新一代忆阻器的最新进展，以及其众多机制的提出和研究进展，同时也展望了该类器件未来的发展方向。

图 1石墨烯以及氧化石墨烯基忆阻. (a) 基于石墨烯的柔性有机双稳态器件嵌入绝缘聚甲基丙烯酸酯层中，能够弯曲超过1.5×105倍. (b) 通过具有工程纳米孔的石墨烯在忆阻器件中调整离子传输. (c) 基于石墨烯缺陷工程的阳离子迁移的电池结构和示意图. (d) 基于薄聚苯胺-石墨烯薄膜的Li+离子漂移.

图 2 TMD和其他非碳二维层状材料基忆阻器. (a) 基于单层MoS2边界的栅极可调谐忆阻器. i) 基于S空位运动的栅极可调谐忆阻器器件结构. ii) 在设定电压下0 V至5 V的晶界漂移，开关比可达103的忆阻特性. (b) 基于1T相MoS2的理想忆阻器. i) 立式Ag/1T-MoS2/Ag忆阻器的器件结构. ii) 2H相MoS2和1T相MoS2的TEM图像和电性能. (c) 基于单层过渡金属二硫族化合物原子片的原子力使. i) 装置结构示意图. ii) Au/MoS2/Au 忆阻器的透射电镜图像（厚度~ 0.7 nm）. iii) 基于 MoS2 的离子/IOFF 忆阻器的忆阻特性> 104. (d) 基于层状二维材料的坚固忆阻器. i) 基于MoS2的忆阻器，结构为石墨烯/MoS2/石墨烯. ii) MoS2中间膜和石墨烯电极之间的忆阻器界面清晰. iii) 在高达340°C的不同工作温度下具有高热稳定性. (e) 基于单层BNOx的原子薄型毫微耳忆阻器件. i) 单层BNOx基忆阻器，结构为Ag/BNOx/石墨烯. ii) BNOx和忆阻器器件的原子力显微镜和透射电镜图像，分别（厚度~0.9 nm）. iii) 忆阻器在亚pA工作电流下高/低电阻状态的变化，耐久性可达100次循环时间。

图 3 性能指标分析. 基于石墨烯/氧化石墨烯（红球及其投影）、TMD（蓝色球及其相应投影）、BN/BP（黄球和相应投影）沿三个轴、ION/IOFF、循环时间和保留时间的忆阻器器件性能指标.射影平面上的红星意味着根据我们的统计获得的最佳值。轴上黄色区域中的数据仅表示参照中提供的一个或两个参数。

图 4 新一代智能忆阻器的忆阻机制. (a) 基于2D材料的忆阻器中涉及的电化学金属化机理，其中从左到右的原理图面板演示了设置和复位过程。在第五个面板中，红色区域代表焦耳热产生的热点区域，这将破坏形成的导电灯丝并导致复位过程. (b) 基于MoS2的忆阻器中存在价变记忆机制，其中凝固和复位过程以硫离子的扩散和迁移，硫离子与氧离子之间的交换以及氧离子的扩散和迁移为主. (c) 具有工程突出部分和典型I-V迟滞曲线的导电桥忆阻器. (d) STEM图像（左图）和EDX映射的氧K线强度（右图）在Pt/Ta/STO界面逐渐降低后。底板示意性地说明了均匀Ta层和颗粒状Ti层中的除氧过程. (e) 忆阻突触的示意图，带有垂直多孔二氧化硅和忆阻器横截面的SEM和TEM图像. (f) 示意图显示了导电灯丝在各种状态下的形状变化。