蘭州大學王琦、賀德衍教授課題組在原子開關憶阻器上取得新進展

2020-09-17 高分子科學前沿

基於有機聚合物電解質的憶阻器受到了極大的關注，因為有機聚合物被認為是柔性存儲和神經形態計算器件重要的候選材料之一。然而，大多數有機聚合物憶阻器缺乏商業/工業應用所要求的重複性、耐久性、穩定性、均勻性、可擴展性和耐熱性。此外，以前的大部分研究工作都試圖改善有機聚合物憶阻器在室溫下的開關性能。然而，在高溫等極端環境下的穩定性很少被研究。

針對提高器件熱穩定性，蘭州大學王琦、賀德衍教授團隊從聚合物分子結構的角度考慮，使用聚乙烯亞胺（PEI）作為介質層。PEI由於相鄰的自由和帶電荷的胺基之間存在氫鍵形成具有相對穩定的六元環，表現出很強的熱穩定性提高聚合物的抗氧化性。並且，由於具有極性基團（氨基），便於金屬陽離子遷移。因此基於此聚合物（PEI）的原子開關憶阻器堆疊器件在常溫和高溫下都表現出了優異性能(高開關比、非易失性和良好的保持性)。還通過製作平面器件用SEM觀察導電細絲形貌和分析導電細絲的生長機理。

圖1. 基於PEI憶阻器平面器件在150℃第一次形成導電細絲的SEM和常溫循環1000次，150℃循環100次的高低阻值。

此外，該組在原子開關中導電細絲調控對參數一致性的影響獲得不錯成果。在有機聚合物(PVP)摻雜導電聚合物(PEDOT:PSS)改變導電細絲生長機理及實現導電細絲數量的有效控制，使得器件具有更小的Set/Reset分布、耐久性和保持能力等優異性能。

圖2. 基於Ag/PVP /Pt原子開關憶阻器平面器件和Ag/PVP-PEDOT:PSS/Pt平面器件的SEM對比圖和生長機理。

使用SiO2/Ta2O5異質結來控制導電細絲的溶解，其中導電細絲的生長方向和形狀由SiO2層控制，而導電細絲的溶解則由超薄的Ta2O5層控制。透射電鏡分析清楚地表明，導電細絲的形成/溶解發生在超薄的Ta2O5層中，導致低電壓操作(<0.3V)具有很高的穩定性和一致性(Vset分布在小於0.1V的範圍內，VReset分布在小於0.08V的範圍內)。

圖3.Ag/SiO2/Ta2O5/Pt原子開關憶阻器器件的開關性能高低阻值和截面透射電鏡明場和暗場下的導電細絲圖。

以上相關成果分別發表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2020, 2004514), ACS Applied Materials& Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 34370−34377)和Nanoscale (Nanoscale, 2020, 12, 4320)上。論文的第一作者分別為碩士生楊棟梁，楊慧勇，郭翔宇，通訊作者為王琦教授。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004514

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c07533

https://pubs.rsc.org/ko/content/articlehtml/2020/nr/c9nr09845c

來源：高分子科學前沿

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