液相剥离二维黑磷高性能柔性阻变式存储器

随着电子科学技术的飞速发展,未来的存储器应具有非易失性、超高的存储密度、超快的读写速度和更低的能耗。到目前为止最成功的非易失性Flash存储器随着器件尺寸的不断缩小发展受到限制,因此新的存储技术受到研究者的广泛关注,其中阻变式存储器 (RRAM) 具有结构简单、高密度、低的读写电压和快速读写的优点,有望成为新一代主流的非易失性存储器。

黑磷作为一种p型直接带隙层状单元素半导体,上世纪60年代已发现,但对二维层状黑磷的广泛兴趣始于2014年其在场效应管中的成功应用,近两年相关研究激增。研究发现,二维黑磷维持直接带隙, 且随层数减少,可在~ 0.3-2.2 eV范围调控,显现出在(光)电子器件领域的巨大应用前景,人们对此寄予了极高的期望。然而,黑磷环境稳定性差,与水汽接触,可快速氧化生成磷酸,成为实现商业化应用的主要障碍。最近,采用液相剥离法,人们成功实现了二维纳米层状黑磷的大量制备,但研究发现,液相剥离二维纳米层状黑磷表面附着大量溶剂分子或官能团,这在(光)电子器件应用中被认为是不利的缺陷AFMliuzhongyuan

然而,燕山大学温福昇、柳忠元教授等研究人员最近发现,液相剥离二维层状黑磷由于表面附着的溶剂分子或官能团,在空气中暴露,可与吸附的水、氧发生非常复杂的氧化反应,生成成分异常复杂的无定形产物。他们利用液相剥离二维层状黑磷溶液与简易滴涂法,在ITO/PET柔性基底上成功制备了取向一致的黑磷薄膜,通过在空气中暴露,在黑磷薄膜表面形成了成分复杂的无定形降解层 (TDL),并利用这一TDL层,制备出了Al/BP film/ITO/PET柔性阻变式存储器件。

实验显示,TDL层作为绝缘势垒层位于Al顶电极与黑磷薄膜层之间,对阻变存储性能起到关键作用。器件的开关阈值电压均保持在±2 V之间, 高、低阻态的开关比可达 ~3 × 105,保持时间达1 × 105秒。同时器件展现出优异的抗机械弯折特性。将器件在空气中暴露3个月后,实验测试表明,器件依然保持良好的阻变特性,性能略有降低,显示出了基于液相剥离二维黑磷的阻变式存储器良好的环境稳定性。

该工作展现了二维层状黑磷在高密度、高开关比、高稳定性的阻变式存储器中的应用前景。相关论文发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201504187)上。