论文标题：Emerging of two-dimensional materials in novel memristor (基于二维材料的新一代忆阻器的最新研究进展)

期刊：Frontiers of Physics

作者：Zhican Zhou, Fengyou Yang, Shu Wang, Lei Wang, Xiaofeng Wang, Cong Wang, Yong Xie, Qian Liu

发表时间： 18 Oct 2021

DOI：10.1007/s11467-021-1114-5

微信链接：点击此处阅读微信文章

【原文信息】

Zhican Zhou, Fengyou Yang, Shu Wang, Lei Wang, Xiaofeng Wang, Cong Wang, Yong Xie, and Qian Liu*, Emerging of two-dimensional materials in novel memristor, Front. Phys. 17(2), 23204 (2022)

https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s11467-021-1114-5; https://doi.org/10.1007/s11467-021-1114-5

大数据分析、物联网和人工智能技术的快速发展需要具有更快处理速度、更低功耗和更智能计算机架构的优秀电子设备和系统。忆阻器作为一种有潜力的非易失性存储器设备，近年来得到了广泛的研究。二维材料作为一种新兴材料，具有诸多不同于体相材料的特性，其出现和发展极大地加速并推动了忆阻器系统的发展，因此，基于二维材料的忆阻器被称为新一代智能忆阻器。

近日，Frontiers of Physics在线发表了国家纳米科学中心刘前研究员课题组的综述论文，该团队综述了基于石墨烯及其衍生物、过渡金属硫化物和六方氮化硼等新一代忆阻器的发展，以及其忆阻机制的研究进展。

自Strukov等人在2008年发现了蔡少棠教授在1971年提出的忆阻器以来，这种新型的非易失性存储器引起了多学科的巨大兴趣。研究人员认为传统的冯•诺依曼范式架构正面临着瓶颈和迫在眉睫的物理极限（5 nm），而应用忆阻器则能够一定程度突破这些瓶颈。目前，传统的忆阻器已有了多种新型应用，具有良好的应用前景。

忆阻器通常具有“三明治”形式的垂直结构，这种结构易于堆叠，可用于超高密度集成和低成本制造，而且可以缩放到低于10 nm的特征尺寸，并保留存储信号多年。到目前为止，忆阻器件已经展现出非常有潜力的性能，包括纳秒级开关速度、万亿次周期擦写耐久性和毫微焦耳能耗。而当引入二维材料后，忆阻器件的尺寸可以进一步缩小，甚至是原子级别。

典型忆阻器的工作原理研究通常集中在两个方面：（i）由于缺氧（或氧空位离子桥接）和阳离子迁移引起的价变记忆（VCM）;（ii）电化学金属化（ECM），由于活性金属阳离子从活性节点迁移到惰性电极。写入/复位开关过程通常包括阳离子或阴离子物质的氧化、迁移和还原，导致电介质层中导电通道的形成/破裂。切换过程可以是突变的也可以是模拟式的，基于不同切换类型，可以利用器件实现不同的功能，例如，在神经网络、和布尔逻辑电路中的应用。

在过去的十年中，石墨烯，过渡金属硫族化合物（TMD）等二维材料因其新颖的物理性质，在多样化的应用中受到了广泛的研究。这些新兴材料也已被广泛用作忆阻器件的表面电极或中间层，基于该领域报告的积极进展，作者综述了基于二维材料的新一代忆阻器的最新进展，以及其众多机制的提出和研究进展，同时也展望了该类器件未来的发展方向。

图 1石墨烯以及氧化石墨烯基忆阻. (a) 基于石墨烯的柔性有机双稳态器件嵌入绝缘聚甲基丙烯酸酯层中，能够弯曲超过1.5×105倍. (b) 通过具有工程纳米孔的石墨烯在忆阻器件中调整离子传输. (c) 基于石墨烯缺陷工程的阳离子迁移的电池结构和示意图. (d) 基于薄聚苯胺-石墨烯薄膜的Li+离子漂移.

图 2 TMD和其他非碳二维层状材料基忆阻器. (a) 基于单层MoS2边界的栅极可调谐忆阻器. i) 基于S空位运动的栅极可调谐忆阻器器件结构. ii) 在设定电压下0 V至5 V的晶界漂移，开关比可达103的忆阻特性. (b) 基于1T相MoS2的理想忆阻器. i) 立式Ag/1T-MoS2/Ag忆阻器的器件结构. ii) 2H相MoS2和1T相MoS2的TEM图像和电性能. (c) 基于单层过渡金属二硫族化合物原子片的原子力使. i) 装置结构示意图. ii) Au/MoS2/Au 忆阻器的透射电镜图像（厚度~ 0.7 nm）. iii) 基于 MoS2 的离子/IOFF 忆阻器的忆阻特性> 104. (d) 基于层状二维材料的坚固忆阻器. i) 基于MoS2的忆阻器，结构为石墨烯/MoS2/石墨烯. ii) MoS2中间膜和石墨烯电极之间的忆阻器界面清晰. iii) 在高达340°C的不同工作温度下具有高热稳定性. (e) 基于单层BNOx的原子薄型毫微耳忆阻器件. i) 单层BNOx基忆阻器，结构为Ag/BNOx/石墨烯. ii) BNOx和忆阻器器件的原子力显微镜和透射电镜图像，分别（厚度~0.9 nm）. iii) 忆阻器在亚pA工作电流下高/低电阻状态的变化，耐久性可达100次循环时间。

图 3 性能指标分析. 基于石墨烯/氧化石墨烯（红球及其投影）、TMD（蓝色球及其相应投影）、BN/BP（黄球和相应投影）沿三个轴、ION/IOFF、循环时间和保留时间的忆阻器器件性能指标.射影平面上的红星意味着根据我们的统计获得的最佳值。轴上黄色区域中的数据仅表示参照中提供的一个或两个参数。

图 4 新一代智能忆阻器的忆阻机制. (a) 基于2D材料的忆阻器中涉及的电化学金属化机理，其中从左到右的原理图面板演示了设置和复位过程。在第五个面板中，红色区域代表焦耳热产生的热点区域，这将破坏形成的导电灯丝并导致复位过程. (b) 基于MoS2的忆阻器中存在价变记忆机制，其中凝固和复位过程以硫离子的扩散和迁移，硫离子与氧离子之间的交换以及氧离子的扩散和迁移为主. (c) 具有工程突出部分和典型I-V迟滞曲线的导电桥忆阻器. (d) STEM图像（左图）和EDX映射的氧K线强度（右图）在Pt/Ta/STO界面逐渐降低后。底板示意性地说明了均匀Ta层和颗粒状Ti层中的除氧过程. (e) 忆阻突触的示意图，带有垂直多孔二氧化硅和忆阻器横截面的SEM和TEM图像. (f) 示意图显示了导电灯丝在各种状态下的形状变化。

摘要

The rapid development of big-data analytics (BDA), internet of things (IoT) and artificial intelligent Technology (AI) demand outstanding electronic devices and systems with faster processing speed, lower power consumption, and smarter computer architecture. Memristor, as a promising Non-Volatile Memory (NVM) device, can effectively mimic biological synapse, and has been widely studied in recent years. The appearance and development of two-dimensional materials (2D material) accelerate and boost the progress of memristor systems owing to a bunch of the particularity of 2D material compared to conventional transition metal oxides (TMOs), therefore, 2D material-based memristors are called as new-generation intelligent memristors. In this review, the memristive (resistive switching) phenomena and the development of new-generation memristors are demonstrated involving grapheme (GR), transition-metal dichalcogenides (TMDs) and hexagonal boron nitride (h-BN) based memristors. Moreover, the related progress of memristive mechanisms is remarked.

Frontiers of Physics 期刊简介

Frontiers of Physics (FOP)是由教育部主管、高等教育出版社出版、Springer海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，旨在报道国际物理学领域的最新成果和研究进展，主要发表Topical Review、Review、Research Article、View & Perspective、Research Highlight等类型的文章，并不定期委托专家组织特定前沿主题的专题。期刊已被SCI, JCR, ADS, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSCI, CSCD等20余种国内外数据库检索和收录。期刊先后入选国家自然科学基金委重点学术期刊专项、中国科技期刊国际影响力提升计划B类和C类项目，2019-2023入选中国科技期刊卓越行动计划梯队项目。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn