东北师大&复旦大学AFM：钙钛矿忆阻器的光电协同初始化新策略

【研究背景】

忆阻器具有功耗低、读写速度快、集成密度高等优势，在信息存储、类脑计算等领域有重要应用，被视为推进信息技术发展的变革性技术。自2008年惠普实验室报道基于TiO₂的首个忆阻原型器件以来，研究人员发展了包括金属氧化物、二维材料、有机材料在内的多种忆阻材料。由于有机-无机杂化钙钛矿自身离子具有可迁移特性，特别是其具有光敏感电子/离子传输特性，能够形成多种独特的光电耦合，为发展高性能忆阻器提供了可能。

通常忆阻器在运行之前需要经历一个大电压激励的初始化过程，为后续阻变提供适量的可迁移缺陷。然而，器件的寄生电容会产生电流过冲效应，导致材料内部缺陷增殖，造成导电通道过度生长，致使材料失效，严重影响器件工作稳定性和擦写耐久性。微观上，材料中离子迁移势垒过高导致初始化电压过大，是加重电流过冲的主要原因。因此，发展温和可控的初始化方法降低离子迁移势垒，是解决问题的关键。

【成果简介】

最近，东北师范大学徐海阳教授、刘益春教授课题组与复旦大学周鹏教授合作，提出光电协同器件初始化的全新策略，在器件电初始化过程中引入光辐照，有效抑制了电流过冲效应，避免了初始化过程中缺陷的过量增殖和导电通道的过度生长，实现了杂化钙钛矿忆阻器件阻变参数稳定性和擦写循环耐受性的显著提升，并获得了低功耗忆阻器件。实验结果表明：一方面，光辐照能够诱导钙钛矿晶格膨胀，降低离子迁移势垒，实现过冲电流近10倍的削减。另一方面，光辐照产生的薄膜光电导具有分流效应，减少流经导电通道的过冲电流。该方法在光敏感忆阻材料中具有一定的适用性，为发展高可靠、低功耗忆阻器件以及基于忆阻器的光电耦合新功能提供了一种新的思路。研究成果以题为“Photoassisted Electroforming Method for Reliable Low-Power Organic–Inorganic Perovskite Memristors”发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上，并被选为当期背封面做简要介绍。

【图文导读】

图一、忆阻器导电通道过度生长模型，电流过冲效应分析示意图及MAPbI₃材料/器件表征

a）忆阻器电流过冲效应导致的过度生长的导电通道模型示意图。

b）忆阻器电流过冲效应等效电路图，过冲电流（I_OV）可以流经两条平行路径：导电通道（I_OV-CF）和薄膜（I_OV-Film）。

c，d）MAPbI₃忆阻器光电协同初始化示意图和器件横截面SEM图像。

e）MAPbI₃薄膜的吸收光谱（红线）和初始化所用光源的发光光谱（蓝线）。

图二、有/无光照情况下MAPbI₃忆阻器初始化过程的过冲电流

a）MAPbI₃忆阻器在有/无光照情况下的初始化I-V曲线（扫描方向用箭头标记）。

b）有/无光照情况下器件初始化的关闭电流与限制电流关系。

c）过冲电流的测量系统电路图。

d）电初始化及光电协同初始化器件过冲电流测试结果。

图三、MAPbI₃忆阻器有/无光照初始化后的阻变性能比较

a-b）两种初始化方法后的器件循环阻变曲线。

c-f）两种初始化方法后的器件的电压电阻数值分布。

图四、低限制电流下有/无光照初始化后器件功耗/能耗对比

a）电压扫描模式下两种初始化方法器件阻变曲线（插图为初始化曲线）。（b）脉冲编程模式下两种初始化方法器件擦写曲线。

图五、光强度对光电协同初始化过程影响

a）在不同光强（0、50、100、150、200和250 mW cm^-2）下测得的MAPbI₃忆阻器的初始化I-V曲线。

b）不同光强初始化下的过冲电流。

c-d）光强与器件初始化电压和过冲电流关系图。

图六、光强度对光电协同初始化过程影响

a）在不同入射光波长（415、543和825nm）下的MAPbI₃忆阻器的初始化I-V曲线。

b-e）光波长对器件过冲电流影响及其关系图。

图七、光照对MAPbI₃中碘离子迁移势垒影响

a）脉冲模式下初始化测试系统电路图。

b）MAPbI₃忆阻器典型的脉冲电压初始化响应曲线。

c-d）有/无光照条件下不同温度对应发器件初始化曲线。

e）测定碘离子迁移势垒E_a的阿列纽斯曲线。

图八、MAPbI₃薄膜的光电导/光电流的表征

a）用于光电流测试的平面Al/MAPbI₃/FTO器件示意图。

b）Al/MAPbI₃/FTO器件的快速光电响应。

c-d）MAPbI₃薄膜的表面形貌及光照下相应光电流分布的原子力显微表征。

【全文总结】

本文提出了一种简单的、温和的光电协同初始化方法来提高MAPbI₃忆阻器的性能，并在实验基础上深入探讨了该方法的作用机理。结果表明：在电初始化过程中引入光辐照，可降低碘离子迁移势垒并使得薄膜产生光电导。这两个因素都会降低电流过冲效应影响，有效抑制导电通道过度增长，提升工作稳定性和耐久性，并获得低功耗忆阻器件。该方法在光敏感忆阻材料中具有一定的适用性，为发展高可靠、低功耗忆阻器件以及基于忆阻器的光电耦合新功能提供了一种新的思路。

文献链接：Photoassisted Electroforming Method for Reliable Low‐Power Organic–Inorganic Perovskite Memristors(Adv. Funct. Mater.2020, 1910151;DOI: 10.1002/adfm.201910151)

【课题组介绍】

刘益春，东北师范大学教授，博士生导师。现任国际发光会议（ICL）程委会委员（2020大会主席）、国际II-VI族化合物材料会议顾委会委员、WILEY国际学术期刊《InfoMat》副主编。国家杰出青年科学基金获得者，中国科学院百人计划，教育部跨世纪优秀人才。长期从事氧化物半导体材料与信息器件领域的科研与教学工作，相关成果作为第一完成人荣获国家自然科学二等奖2项、国家教学成果一等奖1项。

周鹏，博士，现为复旦大学微电子学院教授，博士生导师。主持了国家自然科学基金杰出青年、应急、优秀青年科学基金以及上海市滚球体育 创新计划等项目，作为课题组长参与了滚球体育 部国家重大专项、重点研发计划项目等多个项目。获得了中组部万人计划滚球体育 创新领军人才、滚球体育 部中青年滚球体育 创新领军人才、上海市青年滚球体育 启明星、上海市曙光计划等人才计划支持。受邀撰写专著3章，已授权中国发明专利13项。近三年受邀在国内外会议做邀请报告30余次。担任了国际期刊Infomat的副主编，是中国物理学会半导体专业委员会委员，中国真空学会常务理事。作为客座编辑主持了Small、Advanced Electronic Materials和Nanotechnology等期刊专刊。受邀撰写了Nature Nanotechnology，Advanced Electronic Materials，Science Bulletin等期刊综述。近五年第一/通讯作者发表SCI论文57篇,包括2篇Nature Nanotechnology, 1篇Nature Electronics，3篇Advanced Materials，6篇Advanced Functional Materials，3篇ACS Nano，1篇Nano Lett，4篇Advanced Science等。

本文由大兵哥供稿。

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