水溶性蚕丝蛋白-碳量子点用于光控阻变材料的研究

我们处在电子产品飞速发展和极速更迭的时代,每年会产生数量极为巨大的电子垃圾。据联合国环境规划署报道,2017年全球电子垃圾数量已超过5000万吨。不幸地,身为最大电子产品生产国的同时,我国也是最大的电子垃圾回收国。对于存储器而言,目前主流的存储器DRAM、NAND Flash等的器件结构较为复杂,材料组分较多、不易降解且含有镉等重金属,致使电子垃圾的处理难度大、效率低、成本高和污染严重(包括:水污染、空气污染、重金属污染等)。从源头解决这一问题已迫在眉睫。因此,如何制备高性能、可降解的存储器是下一代存储器的发展方向,更是半导体领域的重要挑战。同时,开发具有良好生物相容性、存储性能可控的存储设备,有利于拓展存储器在可植入生物医疗、智能电子产品和国防等领域的应用。

对于可降解类存储器的开发,自然给了我们启示与灵感。近年来,生物分子(蛋白质、多肽、多糖、DNA、RNA和病毒等)等为存储器领域带来了新的活力与希望。特别地,,蚕丝蛋白也具备诸多优点:首先,它是一种性质稳定的水溶性天然高分子,能够保证存储器活性层的可降解性;其次,蚕丝蛋白密度小,力学性能优异,易于应用在柔性存储器的开发中,迎合了当前电子行业的发展;再次,蚕丝蛋白具有良好的生物相容性,有利于拓展存储器在生物医疗等领域的应用。

图1. 蚕丝蛋白-碳量子点存储器光控行为及基于原子力显微镜的机理研究方法

近期深圳大学电子科学与技术学院韩素婷副教授和高等研究院周晔研究员以蚕丝蛋白为材料主体,水溶性碳量子点为光调控单元,并结合简易的三明治器件结构,构筑了一种新型的光响应性阻变存储器。该存储器展现出存储窗口大(106)、耐受性好、稳定性好(106 s)等优点。同时,在紫外光照射条件下,存储器的开启电压会显著下降(1.2 V),见图1。原子力显微镜的原位电荷注入和表面电势测量结果显示,光照条件下,由于电子注入引起的表面电势下降90 mV,较黑暗条件下的表面电势变化(30 mV)更为显著。结合电学测试表明,光照条件下,存储器活性层材料的电子俘获能力会显著增强,加速电刺激下活性层材料导路的形成,降低该阻变存储器的操作电压。该蚕丝蛋白-碳量子点阻变材料在保证活性层存储器可降解性的同时,为低功耗存储器的开发提供了新思路。

相关工作以“Phototunable Biomemory Based on Light-Mediated Charge Trap”为题,发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201800714)上,第一作者为深圳大学电子科学与技术学院吕子玉博士。

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