范德瓦尔斯铁电体中门压可调且多方向电阻切换的忆阻现象

忆阻器被视为第四种基本电路元器件,已经激发了巨大的研究浪潮。铁电体忆阻器件,以其高开关比,长记忆时间和简单器件结构的特点,在信息存储和神经突触仿真方面有着不容忽视的应用前景。可应用于未来人工智能的高密度存储系统,驱使铁电忆阻器在纵向和横向尺寸上同时缩减。最近刚被报道的二维层状铁电体既具备二维材料的优点,如表面无悬键、尺寸可控、易于与其它材料集成等,又具有稳定的铁电极化特性。因此,这类材料非常适用于高密度存储器。

传统的铁电材料基本都是陶瓷体,受限于低电导率。所制备的忆阻器通常基于面外的铁电极化,以垂直的三明治夹层结构实现电子隧穿效应,进而实现理想的器件电导率。到目前为止,基于铁电体面内极化态的忆阻器很少被报道;而且,能否实现利用面内(或面外)铁电极化态去调控忆阻器面外(或面内)的连续电阻态?这一基础问题仍然没有被探究过。

对二维半导体铁电材料α-In2Se3的持续研究后(ACS Nano 2018, 12, 4976; Adv. Fun. Mater. 2018, 28, 1803738),KAUST薛飞博士后及其合作导师张西详教授、李连忠教授(Prof.Lain-Jong Li)与何志浩教授 (Prof.Jr-Hau He)等合作者,成功制备出一系列具有门压可调、多方向电阻切换的铁电忆阻器件。基于α-In2Se3面内铁电极化的平面结构忆阻器表现出门压可调性,门压可用来调控器件的沟道电导,铁电极化状态和电阻切换的开关比。基于面外铁电极化的垂直结构忆阻器可实现集成的高密度器件,密度可达7.1×109 每平方英尺,而且它们的开关比大于103。同时,利用铁电体α-In2Se3面内与面外极化状态的自锁现象 成功制备出在面内或者面外方向均可正常工作的忆阻器,这种器件可以使用面内(或者面外)的编程脉冲来有效地控制面外(或者面内)的电阻态。研究者相信,此种模型的铁电器件为优化集成系统中器件与器件之间的性能差异提供了新思路,而且适用于未来复杂逻辑电路和神经网络计算。

相关工作以“Gate-Tunable and Multidirection-Switchable Memristive Phenomena in a Van Der Waals Ferroelectric”为题在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201901300)上。KAUST何鑫博士为并列第一作者。