【引言】

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)存放的主要介質(zhì)。隨著5G時(shí)代到來(lái)，帶動(dòng)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展并向存儲(chǔ)器提出多樣化需求，加上傳統(tǒng)存儲(chǔ)器市場(chǎng)價(jià)格變化等因素，新型存儲(chǔ)器將在市場(chǎng)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。因此具有存儲(chǔ)密度更高，讀寫(xiě)速度更快，功耗更低的新型存儲(chǔ)技術(shù)成為時(shí)下研究的重點(diǎn)。阻變存儲(chǔ)器是利用薄膜材料在電激勵(lì)條件下，其電阻在不同阻態(tài)(高阻態(tài)和低阻態(tài))之間的互相轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一種存儲(chǔ)技術(shù)。它具有單元尺寸小、多級(jí)存儲(chǔ)、讀寫(xiě)速度快、功耗低、制備工藝和器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此，其有望成為下一代重要的非易失性存儲(chǔ)器。然而隨著存儲(chǔ)器件尺寸的不斷減小，存儲(chǔ)密度幾乎達(dá)到“摩爾定律”極限。在這種情況下，研究存儲(chǔ)器的多級(jí)存儲(chǔ)特性，以及光電調(diào)控特性，不僅可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)的功能，更為光電結(jié)合或者全光存儲(chǔ)提供新的方法。所以，研究阻變存儲(chǔ)器的光調(diào)控特性非常有必要。但是現(xiàn)有阻變存儲(chǔ)器仍有一些科學(xué)問(wèn)題需要解決，首先是阻變存儲(chǔ)器的參數(shù)均勻性和可靠性問(wèn)題比較嚴(yán)重，器件穩(wěn)定性仍需改善；其次隱藏在眾多阻變現(xiàn)象背后的電阻轉(zhuǎn)變機(jī)理仍不夠清晰。因此，深入研究阻變機(jī)理和開(kāi)發(fā)具有高穩(wěn)定性的阻變存儲(chǔ)器至關(guān)重要。

【成果簡(jiǎn)介】

近期，針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題和挑戰(zhàn)，天津大學(xué)姚建銓院士和張雅婷副教授等發(fā)表了題為“Broadband photoelectric tunable quantum dot based resistive random access memory”的研究論文。文章將硫化鉛量子點(diǎn)應(yīng)用在阻變存儲(chǔ)器中，首先研究了器件的阻變特性、開(kāi)關(guān)速度、數(shù)據(jù)保持能力和環(huán)境穩(wěn)定性等問(wèn)題。接著系統(tǒng)性研究了阻變存儲(chǔ)器的寬光譜調(diào)控特性，最后利用導(dǎo)電原子力顯微鏡技術(shù)對(duì)阻變機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明，基于硫化鉛量子點(diǎn)的阻變存儲(chǔ)器具有開(kāi)關(guān)速度快(170ns)，環(huán)境穩(wěn)定性好(>90天)，寬光譜調(diào)控特性。本文為實(shí)現(xiàn)高性能存儲(chǔ)器的制備提供了一種簡(jiǎn)單方法，也為下一代光電存儲(chǔ)器的開(kāi)發(fā)提供了新思路。

相應(yīng)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C (DOI: 10.1039/c9tc06230k)上，第一作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院陳治良博士。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.器件材料和結(jié)構(gòu)的表征

1.合成的PbS 量子點(diǎn)的XRD圖譜。

2.PbS 量子點(diǎn)、PbS 量子點(diǎn)和PMMA混合物以及PMMA的吸收光譜。

3.PbS量子點(diǎn)的發(fā)射譜譜。

4.PbS 量子點(diǎn)的單層AFM圖像。

5.PbS QDs透射電鏡圖像。

6.PbS QDs的HRTEM圖像。

7.阻變層表面形貌的AFM圖像，平均層粗糙度為1.41 nm。

8.基于PbS 量子點(diǎn)和PMMA混合物的RRAM器件結(jié)構(gòu)示意圖。

9.器件的橫截面SEM圖像。

圖2.器件阻變性能

1.器件典型的伏安特性曲線。

2.器件在不同限流下的電流電壓特性曲線。

3.器件的多級(jí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保持能力。

4.器件在100循環(huán)測(cè)試條件下的開(kāi)關(guān)耐久性。

5.器件的開(kāi)關(guān)速度。

6.器件在不同存放時(shí)間的穩(wěn)定性。

7.器件在不同天數(shù)后的HRS和LRS的輸出電流。

8.不同彎曲次數(shù)后器件的電流電壓特性曲線

9.起勁在不同彎曲次數(shù)后HRS和LRS的輸出電流的變化。

圖3 器件的寬光譜響應(yīng)特性

1.背光照明實(shí)驗(yàn)裝置。

2-4.器件在不同功率密度激光照射下(波長(zhǎng)分別為405 nm、808 nm、1177 nm)的光響應(yīng)特性。

5.器件響應(yīng)靈敏度。

6-8.器件的電流電壓特性在不同波長(zhǎng)光照下的特性。

9.SET電壓與光照強(qiáng)度的關(guān)系。

圖4.阻變機(jī)理研究

1.初始狀態(tài)下導(dǎo)電原子力顯微鏡測(cè)試結(jié)果。

2.10V的SET電壓掃掃描后的表面電流。

3.-10V的RESET電壓掃描后的表面電流。

4.器件在初始狀態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

5.器件在SET過(guò)程的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

6.器件在光照條件下SET過(guò)程的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

7.器件在初始狀態(tài)的示意圖。

8.器件在無(wú)光照情況下SET過(guò)程示意圖。

9.器件在光照條件下SET過(guò)程示意圖。

【總結(jié)與展望】

我們提出了一種基于PbS量子點(diǎn)和PMMA混合物作為活性材料的阻變存儲(chǔ)器。首先驗(yàn)證了這種器件具有較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)保持能力、多級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特性、超快的響應(yīng)時(shí)間(170 ns)、優(yōu)良的循環(huán)均一性、高的環(huán)境穩(wěn)定性以及機(jī)械柔韌性等。其次該器件具有從紫外到近紅外波段的寬光譜調(diào)控的特性。最后利用導(dǎo)電原子力顯微鏡證實(shí)了阻變層內(nèi)銀導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂是造成器件發(fā)生阻變的主要原因。該研究為下一代高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、光電結(jié)合存儲(chǔ)或全光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

文章連接：

Zhiliang Chen, Yu Yu, Lufan Jin, Yifan Li, ?Qingyan Li, Tengteng Li, Jie Li, Hongliang Zhao, Yating Zhang, Haitao Dai, Jianquan Yao. Broadband photoelectric tunable quantum dot based resistive random access memory.

DOI: 10.1039/c9tc06230k

https://doi.org/10.1039/C9TC06230K

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