单层二维聚合物薄膜忆阻器

研究背景

忆阻器是由两电极及夹在两电极之间的功能层组成的两端器件。导电桥连随机存储器是最常见的类型之一，其在超高密度电路、人工神经模拟以及内存计算等方面有着广泛的应用前景。然而，由于电阻切换过程中不可控的离子传输导致导电丝分布以及形成与断裂较为随机，器件的均一性较差，从而限制了其进一步应用。动力学蒙特卡洛（Kinetic Monte Carlo, KMC）理论研究表明，功能层的厚度会影响导电丝的形貌和维度：不断降低功能层的厚度会极大地减小导电丝的随机性进而有利于提升器件的均一性。

最近的研究表明，基于单层的过度金属硫族化物以及六方氮化硼实现了数据存储，将功能层厚度放缩至亚纳米尺度，但器件的均一性和耐久性仍需进一步提升。此外，化学气相沉积法制备无机二维材料在器件制备过程中往往伴随着复杂的转移过程。因此，发展具有优异电阻切换性能的薄层材料体系作为忆阻器的功能层对于改善器件的均一性至关重要。

研究成果

近日，天津大学理学院的胡文平教授和雷圣宾教授团队利用1，3，5-三（四氨基苯基）苯 (TAPB) 与邻位具有不同长度烷氧基链的对苯二甲醛 (TPOCx, x=0, 2, 4, 8, 12, 16, 22) 通过Langmuir-Blodgett (LB) 技术合成了高度结晶的单层二维聚合物薄膜。得益于单层二维聚合物高度有序的结构、易于官能团化以及易于制备范德华异质结等优势，将其作为导电桥连存储器的功能层，存储器件呈现出优异的稳定性、耐久性以及均一性。相关成果以“A Highly Crystalline Single Layer 2D Polymer for Low Variability and Excellent Scalability Molecular Memristors”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. The advantages of using SL-2DP as an active layer in a CBRAM cell.

Figure 2. Chemical and structural characterizations of SL-2DPTAPB+TPOC8 films.

Figure 3. Electrical testing and analysis of the Ag/2DPTAPB+TPOCx/ITO memristors.

Figure 4. Exploration of the mechanism and demonstration of device scalability.

Figure 5. Demonstration of flexible memory devices.

总结与展望

综上所述，作者通过LB技术合成了高度结晶且且具有优异自支撑特性的单层二维聚合物薄膜，并成功构建了电阻开关存储器件。较长的烷氧基链在获得高结晶度薄膜和阻止金属渗透方面都起着至关重要的作用。具有SL-2DPs的器件表现出低变异性（σVset = 0.14）、优异的可扩展性（< 50 nm2）、优异的可靠性（324个周期）、长保留时间（105 s）和超低工作电压（0.6 V）。通过制备双层异质结，将导电丝的形成与断裂限域在两层之间，器件的均一性进一步提升 (σVset = 0.04)。作者利用包括STM和AFM在内的扫描探针技术不仅可以直接可视化2DP薄膜的高结晶度，以及对电阻开关机制的原子学理解，而且还提供了向纳米级、低功耗忆阻器的制造和集成的演示。该工作证明了SL-2DPs具有作为缩小规模的柔性电子器件功能层所需的内在特性，可应用于高密度数据存储阵列、神经形态计算和超薄柔性电子器件等新兴应用。

文献链接

A Highly Crystalline Single Layer 2D Polymer for Low Variability and Excellent Scalability Molecular Memristors

DOI: 10.1002/adma.202208377

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