贾达普大学Kalyan K. Chattopadhyay等–作为非挥发性电阻式开关装置活性层的穿孔涡轮石墨烯

利用单步热解法，从天然废料–死亡的九重葛苞片中合成了穿孔的涡轮层石墨烯（PTG）片，并首次用它建造了一个电阻开关（RS）存储器件。在这里，由于石墨烯片的相邻层之间的涡轮层堆叠，这些大面积的多层石墨烯片的边缘是高度导电的。这些嵌入在绝缘聚合物基体内的高导电PTG片可以作为电阻式开关存储器件的活性层。这种混合结构通过简单的偏置电压变化在两个不同的电阻状态之间显示出非线性的电阻变化。陷阱辅助的空间电荷限制的传导可以实现高电阻状态（HRS），而低电阻状态（LRS）是通过直接传导实现的。为了获得最佳性能的器件，已经进行了一些优化，如聚合物基质的变化、PTG和聚合物浓度的变化、活性层厚度的变化和顶部电极面积的变化。性能最好的器件显示了电流-电压数据的可重复性（>200次），低功耗（SET电压<1 V），高开/关比率（>10⁴），长保留时间（>10⁴ s），以及大量的耐久性循环（>10³）。还对表现最好的器件进行了高写-读-擦-读速度和柔性/弯曲循环测试，以考察其韧性。目前基于PTG的柔性RS存储器件来自于生物废料–死亡的九重葛苞片，可以为开发绿色电子产品提供重要的一步。

图1. ReRAM器件的合成和制造过程。(a, b)PTG的合成协议；(c)使用PTG嵌入PVP作为活性层的器件的制造。

图2. 合成的PTG的基本特征（a-c）HRTEM分析；（d，e）分别对D和G波段以及2D波段进行拉曼分析；（f）XRD显示涡轮化；（g-i）分别对C 1s、O 1s和N 1s进行XPS光谱及其解旋。

图3. 制造的器件的基本I-V特性和稳定性测试。(a) 基于Al/PTG@PVP/ITO的RS存储器件的示意图和真实照片（插图）。(b) 该器件在不同CC下的典型不对称I-V行为。(c) 在不同电压下，不同CC的电流开/关比率。(d) 分别为7、15、30和45毫克的四种不同浓度PVP的器件的典型I-V特性。(e) 不同PVP浓度的器件在三个CC窗口下的电流开/关比率。（f） 对于三个读取电压0.25、0.5和0.75 V，具有不同PTG浓度的器件的电流开/关比。（g）200个连续电压扫描周期的最佳器件的磁滞I–V数据。（h） 性能最佳的器件获得的保持时间>10⁴ s。（i）使用−2.0 V的脉冲条件获得的耐久循环>10³，“写入”操作为100μs，“擦除”操作为+2.0 V，100μs。读取电压在所有循环中都设置在低偏置电压（|0.5 V|），并且稳定的ON/OFF电阻比保持在10⁴Ω以上。

图4. 电阻状态和弯曲测试的统计分布。(a) 在1kHz到1MHz的不同写入和擦除速度下记录的电阻状态。(b) 在0.1 mV/s到0.5 V/s的不同扫描速度下，从固定读取电压（-0.5 V）的I-V曲线中得到的LRS和HRS变化。(c, d) 分别是十个不同器件（器件对器件）和单个器件的多个周期（周期对周期）的电阻值的统计分布。(e) 弯曲测试期间的LRS和HRS电阻超过100个弯曲周期，一个弯曲周期的示意图（插图）。(f) 器件在100个弯曲周期之前和之后的半对数I-V曲线。

图5. 不同活性层厚度、顶部电极面积和不同聚合物的I-V特性和电阻状态的变化。(a) 具有不同活性层厚度的器件示意图。(b) 具有不同活性层厚度（500、300、100和50纳米）的存储单元在10μA的CC下的典型I-V特性。(c) 不同活性层厚度的HRS和LRS电阻。(d) 具有不同面积的顶部电极的器件示意图；(e) 具有四个不同面积顶部电极的存储单元的典型I-V特性。(f) 不同面积的顶部电极的HRS和LRS电阻。(g-i) 3种不同的聚合物，PVP、PMMA和PVA的电流-电压特性，以及它们各自的能带图。

图6. ReRAM器件在不同电压区域的电流传导机制。(a)示意图展示了无偏压器件（ITO/PTG@PVP/Al）的能带图，(b)图3g中常见的I-V曲线之一，它显示了同一器件的重复I-V曲线。(c) 区域A显示在对数表现中；从数据的线性拟合中，发现斜率为2.0，这是由于陷阱辅助的空间电荷限制电流传导（SCLC）。(d) 一旦器件处于LRS状态，如果我们降低电压，在陷阱电子存在的情况下，新注入的电子会直接传导，这可以在面板b的B区直观地看到。插图显示了直接导通方法的示意图。数据的斜率被发现为1.0，这进一步证实了在这个过程中，传导机制是直接的或欧姆的。(e) 随着正电压的增加，电子的填充不会像负偏压那样发生。面板b中的区域C强烈表明了这一点。很少的电子可以通过隧穿穿过势垒，而在施加正向偏压时，只有非常少的电子被通过。拟合曲线中的高斜率值支持陷阱辅助的SCLC类型的传导。

图7. PTG的CAFM分析。(a, b) PTG片的典型AFM图像，显示了片的穿孔。PTG的平均高度是80-120纳米，线状图清楚地显示了PTG片内部存在穿孔，PTG的浓度在边缘，（c-g）CAFM研究，已经使用接触模式完成，尖端连接到地面，偏置电压被施加到样品上。c-f板块显示了电流图，g板块显示了在不同的外加偏压（0.5到3V）下电流变化的相应线型。

相关研究成果由贾达普大学Kalyan K. Chattopadhyay等人2023年发表在ACS Applied Electronic Materials  (https://doi.org/10.1021/acsaelm.3c00037)上。原文：Perforated Turbostratic Graphene As Active Layer in a Nonvolatile Resistive Switching Memory Device。