北理工團隊在滑移鐵電憶阻器研究方面取得重要進展
發(fā)布日期：2024-07-12 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
自從實驗證明平行堆疊的雙層六方氮化硼（h-BN）存在界面鐵電極化以來,，二維（2D）滑移鐵電材料得到了極大的豐富，因為二維材料的堆疊順序可以用來操縱自發(fā)極化和滑移鐵電,，與其內(nèi)在是否存在鐵電性無關,?；诙S材料的存儲器和憶阻器已被廣泛研究并應用于信息存儲,、內(nèi)存計算和神經(jīng)形態(tài)計算。二維材料的層狀特性使其適合構建金屬-絕緣體-金屬結構,，在這種結構中可以形成導電絲（CFs），產(chǎn)生高/低電阻狀態(tài),。二維材料中的范德華間隙允許形成金屬離子型導電絲和缺陷型導電絲,，可通過金屬電極、層堆疊和相位調(diào)節(jié)對其進行調(diào)整,。因此,，通過堆疊順序和層間相互作用調(diào)制來探索滑移鐵電材料的記憶特性，有望為滑移鐵電材料打開一扇實用的窗口,。
鑒于此,，北京理工大學鄭守君副教授、周家東教授,、鄭法偉教授共同合作在Advanced Materials在線發(fā)表“Sliding memristor in parallel-stacked hexagonal boron nitride”的研究成果(Adv. Mater. , 240417, (2024))。研究者通過利用石墨烯/平行堆疊六方氮化硼（PS-BN）/石墨烯隧穿器件設計了一種滑移憶阻器,，它在界面極化的調(diào)制下表現(xiàn)出可調(diào)的憶阻行為,。我們的滑移憶阻器的憶阻行為歸因于帶正電荷的硼離子的層間遷移、聚集和導電絲（CFs）的形成,，這也得到了理論計算的支持,。我們提出的基于 PS-BN 隧穿器件的滑移憶阻器，可以通過極化和施加電場成功地操縱電阻狀態(tài),。滑移憶阻器穩(wěn)定的記憶窗口和憶阻行為表明,，可以通過隧穿電流探索滑移鐵電性,，并將其集成到憶阻器中。這一發(fā)現(xiàn)不僅為表征滑移鐵電材料提供了一種新方法,，還為信息存儲和神經(jīng)形態(tài)計算中的憶阻器應用提供了可能,。
圖1展示的 PS-BN 的可切換鐵電疇。圖a展示了具有 AB 和 BA 堆疊順序的 PS-BN 結構圖,，其中層間極化由硼（藍色）和氮（黃色）原子的排列產(chǎn)生,。圖c和圖b展示了垂直 PFM 相位和振幅滯后回線分別與所施加的尖端偏壓成函數(shù)關系。圖d和圖e 展示了在少層石墨烯上的 PS-BN的PFM 振幅和相位映射,，顯示出明顯的 AB 和 BA 鐵電疇,。圖f和圖g 展示了PS-BN 在施加 1 V 直流電壓時的PFM 相位和振幅圖像，展示了可切換的鐵電疇,。
圖2展示了滑移憶阻器的隧穿電流特性,。圖a展示了由石墨烯/PS-BN/石墨烯結構組成的滑移憶阻器示意圖,。圖b展示了滑移憶阻器的光學照片。圖c展示了h-BN 的陰極熒光光譜,，在 350 nm和 630 nm波長附近顯示出多個陰極熒光峰,。圖d展示了石墨烯/h-BN/石墨烯隧穿器件的 I-V 曲線，沒有滯后現(xiàn)象,。圖e展示了滑移憶阻器的 I-V 曲線,，顯示在4 V左右存在穩(wěn)定的回滯。圖f展示了具有兩種極化態(tài) PS-BN 的滑移憶阻器能帶圖,，顯示了可調(diào)的勢壘高度和寬度,。圖g展示了在寫入電壓為5 V和擦除電壓為-5 V時，滑移憶阻器的耐久性,。
圖3展示了滑移憶阻器中的記憶窗口,。圖a-d展示了PS-BN中HRS和LRS之間的切換，顯示了可逆的大記憶窗口,。圖c展示了器件可以在電場的同一方向上從LRS切換到HRS,，這與基于金屬電極的憶阻器不同。圖e展示了在5ms內(nèi)分別用 5V和 -5V的脈沖電壓對滑移憶阻器進行編程和擦除,。圖f展示了幾個器件的記憶窗口大小和電流密度的匯總,。圖g展示了帶正電荷的硼離子在兩個界面極化運動時形成導電絲的示意圖。
圖4展示了原子/離子穿過 h-BN 層所需的遷移能,。圖a展示了h-BN 層的原子結構,，B 原子/離子位于六邊形中心上方。B 原子/離子沿黑色虛線移動,，穿過 h-BN 層,。圖b展示了系統(tǒng)能量（ΔE）與 H（B 原子/離子距離 h-BN 層的高度）的函數(shù)關系。分別展示了中性 B 原子（黑線）,、帶一個正電荷的 B+（紅線）,、帶兩個正電荷的 B2+（藍線）、帶三個正電荷的 B3+（綠線）和帶一個負電荷的 B-（紫線）的能量勢壘,。
圖5展示了滑移憶阻器的C-AFM圖,。圖a展示了PS-BN在石墨烯薄片上的原子力顯微鏡圖(上下兩層h-BN均以虛線標出)。圖b-d展示了PS-BN 在同一點上的I-V 曲線和憶阻行為（圖a中綠色星形標記處）,。
研究結論：總之,，我們提出了一種基于 PS-BN 隧穿器件的滑移憶阻器，并通過極化和施加電場成功地操縱了電阻狀態(tài),?；茟涀杵鞣€(wěn)定的記憶窗口和憶阻行為表明，可以通過隧穿電流探索滑移鐵電性,，并將其集成到憶阻器中,。這一發(fā)現(xiàn)不僅為表征滑移鐵電材料提供了一種新方法，還為信息存儲和神經(jīng)形態(tài)計算中的憶阻器應用提供了可能,。
文獻鏈接：（ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404177）
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