天津大学姚建铨院士，张雅婷副教授JMCC：具有宽光谱调控特性的阻变存储器
【引言】
存储器是计算机中数据存放的主要介质。随着5G时代到来，带动人工智能、物联网、智慧城市等应用市场发展并向存储器提出多样化需求，加上传统存储器市场价格变化等因素，新型存储器将在市场发挥越来越重要的作用。因此具有存储密度更高，读写速度更快，功耗更低的新型存储技术成为时下研究的重点。阻变存储器是利用薄膜材料在电激励条件下，其电阻在不同阻态（高阻态和低阻态）之间的互相转换来实现数据存储的一种存储技术。它具有单元尺寸小、多级存储、读写速度快、功耗低、制备工艺和器件结构简单等优点。因此，其有望成为下一代重要的非易失性存储器。然而随着存储器件尺寸的不断减小，存储密度几乎达到“摩尔定律”极限。在这种情况下，研究存储器的多级存储特性，以及光电调控特性，不仅可以实现多级存储的功能，更为光电结合或者全光存储提供新的方法。所以，研究阻变存储器的光调控特性非常有必要。但是现有阻变存储器仍有一些科学问题需要解决，首先是阻变存储器的参数均匀性和可靠性问题比较严重，器件稳定性仍需改善；其次隐藏在众多阻变现象背后的电阻转变机理仍不够清晰。因此，深入研究阻变机理和开发具有高稳定性的阻变存储器至关重要。
【成果简介】
近期，针对上述技术问题和挑战，天津大学姚建铨院士和张雅婷副教授等发表了题为“Broadband photoelectric tunable quantum dot based resistive random access memory”的研究论文。文章将硫化铅量子点应用在阻变存储器中，首先研究了器件的阻变特性、开关速度、数据保持能力和环境稳定性等问题。接着系统性研究了阻变存储器的宽光谱调控特性，最后利用导电原子力显微镜技术对阻变机理进行了深入研究。研究结果表明，基于硫化铅量子点的阻变存储器具有开关速度快（170ns），环境稳定性好（>90天），宽光谱调控特性。本文为实现高性能存储器的制备提供了一种简单方法，也为下一代光电存储器的开发提供了新思路。
相应工作发表在Journal of Materials Chemistry C （DOI: 10.1039/c9tc06230k）上，第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院陈治良博士。
【图文导读】
图1.器件材料和结构的表征
1.合成的PbS 量子点的XRD图谱。
2.PbS 量子点、PbS 量子点和PMMA混合物以及PMMA的吸收光谱。
3.PbS量子点的发射谱谱。
4.PbS 量子点的单层AFM图像。
5.PbS QDs透射电镜图像。
6.PbS QDs的HRTEM图像。
7.阻变层表面形貌的AFM图像，平均层粗糙度为1.41 nm。
8.基于PbS 量子点和PMMA混合物的RRAM器件结构示意图。
9.器件的横截面SEM图像。
图2.器件阻变性能
1.器件典型的伏安特性曲线。
2.器件在不同限流下的电流电压特性曲线。
3.器件的多级存储数据保持能力。
4.器件在100循环测试条件下的开关耐久性。
5.器件的开关速度。
6.器件在不同存放时间的稳定性。
7.器件在不同天数后的HRS和LRS的输出电流。
8.不同弯曲次数后器件的电流电压特性曲线
9.起劲在不同弯曲次数后HRS和LRS的输出电流的变化。
图3 器件的宽光谱响应特性
1.背光照明实验装置。
2-4.器件在不同功率密度激光照射下(波长分别为405 nm、808 nm、1177 nm)的光响应特性。
5.器件响应灵敏度。
6-8.器件的电流电压特性在不同波长光照下的特性。
9.SET电压与光照强度的关系。
图4.阻变机理研究
1.初始状态下导电原子力显微镜测试结果。
2.10V的SET电压扫扫描后的表面电流。
3.-10V的RESET电压扫描后的表面电流。
4.器件在初始状态的能带结构示意图。
5.器件在SET过程的能带结构示意图。
6.器件在光照条件下SET过程的能带结构示意图。
7.器件在初始状态的示意图。
8.器件在无光照情况下SET过程示意图。
9.器件在光照条件下SET过程示意图。
【总结与展望】
我们提出了一种基于PbS量子点和PMMA混合物作为活性材料的阻变存储器。首先验证了这种器件具有较长的数据保持能力、多级数据存储的特性、超快的响应时间(170 ns)、优良的循环均一性、高的环境稳定性以及机械柔韧性等。其次该器件具有从紫外到近红外波段的宽光谱调控的特性。最后利用导电原子力显微镜证实了阻变层内银导电细丝的形成和断裂是造成器件发生阻变的主要原因。该研究为下一代高密度数据存储技术、光电结合存储或全光存储技术的发展奠定了基础。
文章连接：Zhiliang Chen, Yu Yu, Lufan Jin, Yifan Li, Qingyan Li, Tengteng Li, Jie Li, Hongliang Zhao, Yating Zhang, Haitao Dai, Jianquan Yao. Broadband photoelectric tunable quantum dot based resistive random access memory.
DOI: 10.1039/c9tc06230k
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