有望用于未来弹性可穿戴器件的新型弹性阻变存储器

电致阻变效应的电阻型随机存储器(RRAM)因其具有非易失性、结构简单、低功耗、高密度、快速读写等优势,被认为是最具发展潜力的新兴存储技术之一。物联网技术的不断普及对可穿戴电子设备提出了使用更舒适、更适合人体皮肤延展性的要求。这意味着信息存储器、处理器以及传感器等电子设备的核心单元需要不断向柔弹性方向升级发展。因此,RRAM的柔性化和弹性化引起了科学界越来越多的关注。深入理解RRAM的机械和电学失效机制,对于实现其柔性化集成具有重要的意义。中国科学院宁波材料技术与工程研究所李润伟研究员带领的科研团队前期研究发现阻变介质以及导致电阻发生变化的纳米导电通道在拉伸应力作用下发生断裂是造成器件发生机械失效的根本原因。采用有机弹性高分子作为阻变介质,其在拉伸情况下分子链的转动及其环境水氧耐受性较差,所制备的阻变存储器在应变下的电学稳定性一般都差。

为了解决这一问题,李润伟研究员带领的科研团队进一步提出了采用有机-无机杂化的金属-有机框架(MOF)材料作为阻变介质构建RRAM器件,来同时提高柔性RRAM器件的存储性能、弹性机械性能和热稳定性。MOF材料是有机配体与金属离子或团簇通过配位键构建的有机-无机杂化的晶体框架材料。通过合理的选择有机和无机组成单元,MOF材料可通过配位键键角的改变以及框架结构的规则变化实现材料的形变(呼吸效应)。这一特性为阻变介质的柔弹性化提供了更大的空间。

基于MOF材料的阻变存储器在应变状态下的阻变性能

研究团队首先采用液态金属镓铟锡合金与聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体进行复合,利用液态金属在室温下优异的导电能力和流动性、以及PDMS良好的形变能力,获得了在拉伸形变达到100%的情况下仍能保持导电率基本不变(>1.3×103 S/cm,波动<5%)的LM-PDMS弹性导电衬底材料。然后,利用改进的液相外延法在LM-PDMS弹性导电衬底上制备了具有菱形孔洞结构、大孔隙率以及键角可调特征的柔性金属-有机框架MIL-53薄膜(理论最大形变值为17.7%)。通过电场驱动LM-PDMS导电衬底中的镓元素发生离化、注入以及还原,在MIL-53薄膜中形成了Ga成分的纳米导电细丝。由于MIL-53的大孔隙率和键角可调的特征使其菱形拓扑结构在拉伸情况下可以发生规则变化,进而减小了应变对局域导电通道的影响。而在MIL-53孔径中所形成的Ga导电细丝的柔性特征也可以随之发生形变而不断裂,因此所制备的阻变存储单元具有良好的机械和电学性能。Ag/MIL-53/LM-PDMS在0到10%的动态拉伸形变范围内具有稳定的阻变特性,时间保持性可超过104 s。这一研究结果对开发用于未来弹性可穿戴设备的弹性阻变存储器有重要参考意义。相关论文在线发表在Advanced Electronic Materials(DOI:10.1002/aelm.201800655)。