黄维、黄昱、段镶锋联手,范德瓦尔斯电极集成高性能二维材料忆阻器
纳米人 纳米人 2020-02-13

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第一作者:Jian Guo,Laiyuan Wang

通讯作者:黄维、黄昱、段镶锋

通讯单位:西北工业大学、加州大学洛杉矶分校

 

研究亮点:

1. 基于范德瓦尔斯电极集成技术构建高可靠性二维材料忆阻器;

2. 忆阻器具有理想器件产率、低操作电压、优异的循环和维持特性;

3. 忆阻器可有效地实现栅控突触可塑性;

4. TEM和EDS分析了范德瓦尔斯界面精致结构和ECM忆阻机理。

 

超薄可靠忆阻器面临的挑战

在后摩尔时代,为了制备高集成度的忆阻器架构,不断缩放器件的尺寸是至关重要的。然而,对于忆阻器来说,当器件两电极间的距离不断减小时,越来越难以获得可靠的忆阻性能,尤其对于原子尺度的忆阻功能层来说,在制备电极的过程中很容易被破坏,难以获得高产率的忆阻器件,这是由于在传统的金属沉积过程中(比如热蒸镀和电子束蒸发等),超薄忆阻功能层会不断地受到高能热原子或者原子团簇的轰击,进而导致器件界面以及功能层的严重损坏,影响忆阻性能的有效性和器件产率,因此开发适用于原子尺度忆阻功能层的电极集成技术是当前忆阻器缩放所遇到的挑战。

 

成果简介

 近日,西北工业大学黄维院士团队加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队、黄昱教授团队合作报道了适用于原子尺度忆阻功能层的范德瓦尔斯金属电极集成技术,不同于传统的热沉积过程中形成的强键和作用,通过范德瓦尔斯作用集成电极和忆阻功能层可以保证忆阻功能层与电极间的温和接触,大大减小器件界面的损坏。因此可以使用范德瓦尔斯电极集成技术获得可靠的忆阻特性,大大提高器件产率。2月5日,该工作发表于Cell Press细胞出版社旗下的材料学旗舰期刊Matter上。

 

要点1:基于范德瓦尔斯电极集成技术构建二维材料忆阻器

该工作采用超薄的二维材料构建忆阻器不仅可以减小器件的尺寸,还可以集成二维材料在电学、热学、机械等方面的诸多优越性能。研究团队选择表面有原子薄的绝缘氧化层(SnOx)的二维材料硒化锡(SnSe)作为忆阻功能层,通过转移活性金属银(Ag)薄膜作为电极,制备得到器件(Ag/SnOx/SnSe),截面透射电子显微镜(TEM)结果表明相对于蒸镀器件杂乱无序的界面,范德瓦尔斯器件具有精细的界面结构(图1)。


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图1. 范德瓦尔斯集成器件Ag/SnOx/SnSe的制备过程。

 

要点2:忆阻器具有理想器件产率、低操作电压、优异的循环和维持特性

电学测试结果表明,该忆阻器具有100%的器件产率,开始阶段不需形成过程。0.4 V低电压下即可得到非易失性忆阻性能,读写擦循环可维持4000次几乎没有衰减,高低导电态可维持105秒没有衰减,且开关比可保持103,证明了该器件作为存储器具有优异的循环和维持特性(图2),忆阻器而这些特性在蒸镀银电极的器件中均不存在。比较结果表明该器件在所报道的二维材料忆阻器中具有优异的器件性能。



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图2. 忆阻器Ag/SnOx/SnSe的存储性能。

 

要点3:忆阻器可实现栅控突触可塑性

得益于沟道二维材料SnSe的半导体特性,研究团队可以用栅电极调控器件Ag/SnOx/SnSe的忆阻性能,在此基础上他们可以模拟栅控长时程记忆(LTM)与短时程记忆(STM)间的转化、类脉冲时序依赖可塑性(STDP),表明该器件可以作为一个有效的神经突触,实现同源突触可塑性和异源突触可塑性(图3)。



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图3. 基于忆阻器Ag/SnOx/SnSe的突触模拟功能。

 

要点4:TEM和EDS分析论证范德瓦尔斯界面结构和ECM忆阻机理

研究团队进一步通过设计多端电极器件(图4)、截面透射电子显微镜(TEM)成像、元素分布测试、变温测试等手段证明了SnOx和Ag之间具有精细的范德瓦尔斯接触,论证了该器件的忆阻机理为电化学金属化(ECM)机制。



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图4. 多端器件中的界面依赖的忆阻行为。

 

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图5. 忆阻器Ag/SnOx/SnSe的工作机制。

 

小结

该工作通过范德瓦尔斯电极集成技术制备的忆阻器提供了适用于原子尺度功能层的电极集成技术,为开发可靠、高产率、高性能的二维材料忆阻器提供了典范。该方法具有普适性可推广至其他二维材料,还有望推广至其他忆阻材料体系中(如无机氧化物、有机材料等),尤其适用于超薄的忆阻功能层。另外由于电极与材料之间的温和接触,还可以进一步将电极剥离,这也为对器件内部进行无损研究提供了手段,因此该工作为忆阻器的研究提供了一个全新的视角。

 

参考文献

Guo, Jiian, Wang,Laiyuan, et al. Highly Reliable Low-Voltage Memristive Switching and ArtificialSynapse Enabled by van der Waals Integration. Matter (2020).

DOI: 10.1016/j.matt.2020.01.011

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520300114

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