河大闫小兵团队&深大张晗团队Mater. Horiz.综述：基于二维材料的忆阻器——现状与展望

【引言】

在当今的大数据时代，庞大的数据量要求下一代非易失性存储器（NVM）技术具备存储容量大和读写速度快等特点。电阻式随机存取存储器（RRAM）、磁性随机存取存储器（MRAM）、相变存储器（PCM）等新型NVM应用而生，表现出了永久性存储和读写速度快等优点，其中，忆阻器通过开关电阻状态来实现信息存储和输出，而纳米级尺寸使得其有可能用于高密度和大规模集成。

忆阻器作为一种应用前景广阔的非易失性存储设备，可有效模拟突触结构，并启用神经形态系统，因此受到了广泛关注。近年来，二维材料因其独特的优势被广泛应用于忆阻器中，不仅提高了忆阻器的性能，而且还促进了忆阻器在柔性电子、低功耗、高温设备、神经形态计算等方面的发展。

【成果简介】

近期，河北大学闫小兵教授和深圳大学张晗教授（共同通讯作者）等人基于二维材料忆阻器的快速发展，总结了二维材料在忆阻器中的应用及其物理开关机制，并对其存在的挑战和发展前景进行了讨论。首先，作者对石墨烯及其衍生物、过渡金属硫化物（TMDs），以及包括BN、黑磷、钙钛矿等在内的其他二维材料基忆阻器的现状进行了讨论。随后，又总结并探讨了忆阻器的三大物理开关机制。最后，对二维材料在忆阻器领域的应用进行了总结，并提出了未来的研究方向。该综述以题为“Current Status and Prospects of Memristor Based on Novel 2D Materials”发表在Materials Horizons上。

【图文导读】

图1.  2D材料基忆阻器及其开关机制总览图

图2.  Ag/GO/ITO器件的双极开关特性

(a, b) Ag/GO/ITO器件的光学照片及I-V曲线；

(c) Ag/GO/ITO器件的I-V曲线，其中GO膜退火温度为20℃，插图为器件示意图；

(d) 器件的保留特性曲线。

图3. 石墨烯电极忆阻器的基本特性

(a, b) 转移在玻璃基底上的MLG及组装成器件后的光学图片；

(c，d) 线性及非线性导通态MLG/TaO_y/Ta₂O_5–x/MLG 器件的双极RS特性曲线；

(e) 聚合物辅助剥离MoS₂图示及其I-V曲线；

图4.  Ag/MoS₂/Ag/MoS₂/Ag 忆阻器的基本特性

(a-c) Ag/MoS₂/Ag/MoS₂/Ag 忆阻器图示(a)及其室温I-V曲线 (b)，(c) 为其对数坐标下的I-V曲线 ；

(d, e) MoO_x/MoS₂储存器的基本I-V曲线 (d)，(e)为其电容和电阻部分；

(f) 不同TE材料忆阻器的I-V曲线；

(g) GMG器件的示意图及横截面图示；

(h) 测量设备及对应图片；

(i) GMG器件的典型开关特性曲线；

(j) 1μm脉冲宽度下可获得2×10⁷的高耐久性；

(k, l) V_g=40 V下，忆阻器的原理图及局部I-V曲线；

(m, n) 忆阻器的们可调性曲线及不同V_g二等分GB忆阻器的典型I-V曲线

图5.  Pd/WS₂/Pt 忆阻器件的基本特性

(a, b) 经典的I-V特性曲线及与其他文献中报道的操作电流的对比；

(c) 13 ns的开启速度；

(d) 14 ns的关闭速度。

图6.  MoTe2基忆阻器的基本特性

(a) MoTe₂垂直器件图示及光学、SEM图像；

(b) 电铸后Mo_0.96W_0.04Te₂ RRAM器件的I-V曲线；

(c) V_set值与材料厚度的对应关系。

图7.  BN基忆阻器的基本特性

(a, b) Ti/thin h-BN/Cu器件的结构图示及忆阻器的经典I-V曲线；

(c, d) 单层h-BN交叉开关器件中双极性和单极性开关响应的I-V曲线；

(e, f) Au箔、Ni箔基单层h-BN器件的I-V曲线。

图8. 钙钛矿基忆阻器的基本特性

(a) Ag CFs的形成与断裂图示；

(b, c) 光照下Ag/CH₃NH₃PbI_3-xCl_x/FTO的I-V曲线及能级示意图。

图9.  GaSe基忆阻器的基本特性

(a, b) Ag/GaSe/Ag器件的I-V曲线及50次数据循环曲线；

(c) 图 (a)中I-V曲线的拟合结果；

(d) Ag/GaSe金属半导体结的能级图。

图10.  Ti/thin h-BN/Cu忆阻器的丝开关机制

(a) BN器件的I-V曲线表明其具有双极RS；

(b, c) 该器件原始位置（LRS）和GB / CF位置的电子能量损失谱（EELS）横截面分析。

图11.  Ag TE/hBN/Cu忆阻器的物理开关机制

(a) 导电细丝的TEM图像；

(b, c) 低电阻状态下该器件的STEM图像及EDS图；

(d, e) 非完全接触Cu 底电极时，导电细丝的TEM图像及对应的HRTEM图像；

(f, g) Ag 导电细丝的HRTEM图像，h-BN基器件的导电细丝生长原理图。

图12.  AZA器件的Ag物理开关机制

(a) I-V曲线的拟合结果

(b, c) AZA器件的TEM图像和元素分布图像；

图13.  Ag/GaSe/Ag忆阻器的物理开关机制

(a) V_ds=0的原始状态；

(b) Ga空位导电细丝的生长过程；

(c) 源漏极通过导电细丝导通；

(d) 导电细丝的断裂过程。

图14.  Ag/MoO_x/MoS₂/Ag忆阻器的物理开关机制

(a-c) MoO_x/MoS₂忆阻器示意图，SEM图像及XPS剖析图；

(d) 表层Mo的氧化程度；

(e-g) EDS线扫剖析图；

(h-j) GMG器件的物理开关机制原理图。

图15.  WS₂基忆阻器的物理开关机制

(a, b) LRS中WS₂纳米片及薄膜的TEM图像；

(c) 图a和图b对应区域的W原子线剖析图。

图16.  Al/Ti₃C₂T_x/Pt忆阻器的物理开关机制

(a-d) LRS和HRS的拟合曲线及对应的I-V曲线；

(e) Ti₃C₂T_x到TiO₂的氧化；

(f-h) 白点区域有原子空穴，而黄点区域则没有，图g和h分别为其对应的线剖析图；

(i-o) Ti₃C₂T_x薄片在原始状态和LRS下的XPS深度剖析图；

(p) 在Ti₃C₂T_x薄片不同深度下HRS和LRS的氧含量曲线。

图17.  W/MoS₂/ p-Si忆阻器的物理开关机制

(a) 左图为具有局部电位波动的单层MoS₂的能带结构，右图为具有悬浮Si-O键的MoS₂SiO₂界面；

(b) MoS₂/ p-Si结的物理开关机制示意图。

【小结】

本文总结了诸如石墨烯、TMDs、BN、黑磷、钙钛矿和GaSe等二维材料在忆阻器领域中的应用，并分别对其二维系统的结构和特性进行了分析。基于2D材料的忆阻器具有多种物理切换机制，包括导电细丝、原子空位以及电子捕获和脱离机制。此外，忆阻器的研究对类脑计算和人工智能有着重大的影响，基于2D材料的忆阻器在未来具有广阔的发展前景。

原文链接：Current Status and Prospects of Memristor Based on Novel 2D Materials (Mater. Horiz., 2020, DOI: 10.1039/C9MH02033K.)

【团队介绍/通讯作者简介】

闫小兵教授，河北大学电子信息工程学院副院长、特聘教授、博士生导师。美国IEEE高级会员，河北省杰青、三三三人才二层次。长期从事忆阻器相关研究。以第一和通信作者发表论文超过60余篇，包括Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Mater. Horiz.等权威杂志。中国青年科技工作者理事，河北青年五四奖章获得者，河北青联常委。先后获得霍英东青年教师奖、河北省青年科技奖。

张晗教授，男，1984年出生，深圳大学特聘教授、深圳市黑磷工程实验室主任、博士生导师。美国光学学会会士、基金委“优青”、科睿唯安“高被引科学家（2018/2019）”、广东省科技领军人才等。长期从事低维材料光电器件相关研究，以通讯作者发表中科院一区论文超过100篇，包括Physics Reports2篇、PNAS 1篇、Science Advance 2篇、Nature Communications 6篇等；论文总被引超过26000次，H因子为85。张晗教授担任多个SCI期刊专题主编/编委、中国激光青年编委会秘书长、全国光学青年学术论坛第二届主席团副主席。科研成果获得教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、广东省丁颖科技奖、深圳市青年科技奖、深圳市自然科学奖等。

本课题组招聘优秀的博后和研究员，欢迎投递简历至506180626(at)163.com；947935449(at)qq.com。要求：光学、化学、生物等理工科方向，发表1-2篇SCI论文，35岁以内；从事二维纳米材料者优先。

文献推荐：

1. Self-Assembled Networked PbS Distribution Quantum Dots for Resistive Switching and Artifcial Synapse Performance Boost of Memristors. (Adv. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201705320)

2. Memristor with Ag-cluster-doped TiO2 films as artificial synapse for Neuroinspired computing. (Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201705320)

3. Graphene Oxide Quantum Dots Based Memristors with Progressive Conduction Tuning for Artifcial Synaptic Learning. (Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201803728)

4. Designing carbon conductive filament memristor devices for memory and electronic synapse applications. (Mater. Horiz. DOI: 10.1039/C9MH01684H)

5. The Rise of 2D Photothermal Materials beyond Graphene for Clean Water Production. (Adv. Sci. DOI: 10.1002/advs.201902236)；

6. Nonlayered Tellurium Nanosheets: Facile Liquid‐Phase Exfoliation, Characterization, and Photoresponse with High Performance and Enhanced Stability. Adv. Funct. Mater. 2018, 28 (16), 1705833–1705844. https://doi.org/10.1002/adfm.201705833

信息来源：材料牛