Advanced Electronic Materials:基于聚对二甲苯和石墨烯阻挡层的低功耗有机柔性忆阻器

柔性电子技术在未来可穿戴医疗、电子皮肤、智能机器人等领域具有广阔的应用前景,得到了学术界和业界广泛的关注和研究。在柔性电子系统中,柔性非挥发存储器是其重要的组成部分。多种基于柔性材料的新型存储器件被认为有潜力成为未来的柔性非挥发存储器,例如柔性忆阻器、柔性相变存储器、柔性铁电存储器和柔性磁随机存储器。相比其它新型存储器件,忆阻器具有结构简单、运行速度快、尺寸易于缩小等优势。同时,有机材料具有柔性可拉伸、低成本、易于制备、透明等优势,因此基于有机柔性材料的忆阻器得到了大量研究人员的重视。然而,功耗是有机柔性忆阻器满足柔性电子系统的低功耗应用场景的关键挑战。此外,在可植入电子、可穿戴医疗等领域中,柔性器件材料的安全可靠的生物兼容性也是一项重要评价标准。

聚对二甲苯(parylene)是一种经过美国食品和药物管理局认证通过的柔性电子材料,具有非常好的生物兼容性。近期,北京大学微纳电子学研究院蔡一茂教授课题组与中科院微电子所刘琦课题组合作研制了一种基于聚对二甲苯和石墨烯阻挡层的低功耗柔性忆阻器。通过在有机阻变层与金属电极之间插入石墨烯阻挡层,该器件实现了超低的复位电流(<50 μA)和超低的功耗(150 μW)。与没有石墨烯阻挡层的器件相比,具有石墨烯阻挡层的器件成功将复位电流降低~50倍,将功耗降低约~15倍。该课题组利用导电原子力显微镜(CAFM)技术,证实了聚对二甲苯柔性忆阻器的金属导电细丝阻变机制,而金属导电丝的直径和数量是决定这类忆阻器操作功耗的重要因素。在这项研究中,引入的石墨烯阻挡层限制了金属离子的移动,导致金属离子只能从石墨烯的本征缺陷纳米孔中通过,可以有效抑制了金属离子迁移的涨落和数量,可以形成直径更小的导电细丝,而且数量也大大降低,从而降低了器件的功耗。

这项工作提出了通过插入石墨烯阻挡层的方法降低有机柔性忆阻器功耗的方法,同时利用CAFM技术证实了石墨烯阻挡层对金属导电细丝分布和维度的限制作用,为未来的低功耗有机柔性忆阻器的设计提供了新的途径。该工作的通讯作者为北京大学蔡一茂教授和中科院微电子所刘琦研究员。相关结果发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201800852)上。