超低能团簇离子注入制备基于氟化石墨烯的光忆阻型多比特存储器

While the Si-based integrated circuits are approaching the limit of quantum-mechanical tunneling, the rapid development of artificial intelligence demands massive information processing. In this project we intend to develop memristive devices based on fluorographene (FG). First, fluorine cluster (F1-F20) ion beams will be extracted from the cesium sputtering ion source of a tandetron accelerator, with high ion current density achieved by using nanosize powder sputtering target and focal target design. The energies of the ion beams will be decreased down to 10-100 eV/atom via electrostatic deceleration. The ultra-low-energy cluster ion beams will be implanted into single layer graphene with uniform scanning. The carbon atoms of graphene will be partly replaced by fluorine resulting in single-layer fluorographene with a certain bandgap. Based on the FG layers we will fabricate Au/FG/Au heterojunctions working with double Schottky barriers. The I-V characteristics will be measured in dark to achieve high- and low-resistance states with good on/off ratio useful for binary memristive memory. Then light excitation will be conducted to produce new high- and low-resistance states to realize quaternary resistive memory, namely, photomemristive memory. The project will establish electric-polarization-modified Schottky barrier mechanism and lay the scientific foundation for ion beam fabrication of new-generation multibit memories.

当今世界人工智能迅速发展，需要进行海量信息处理，而硅基集成电路已接近量子隧穿极限，迫切需要开发新型高密度存储器件。本项目研制二维氟化石墨烯(fluorographene,FG)忆阻型存储器(memristor)，利用I-V回线实现信息存储。用串列加速器铯溅射离子源引出氟的团簇离子束(F1-F20)，通过纳米粉末靶和聚焦靶设计提高束流密度，通过静电场减速达到10-100eV/atom的超低能量。用超低能团簇对石墨烯进行均匀扫描的离子注入，以氟原子取代部分碳原子，形成具有一定带隙的单原子层FG和量子点。试制Au/FG/Au双肖特基异质结，首先在暗场测定I-V回线，获得具有较大开关比的高低阻态，实现二进制存储；然后利用光场激发形成新的高低阻态，实现4比特存储，即光忆阻存储(photomemristor)。建立基于电极化修正的双肖特基势垒忆阻存储机制，为离子束制备多比特存储器提供科学依据。

当今世界人工智能迅速发展，需要进行海量信息处理，而硅基集成电路已接近量子隧穿极限，迫切需要开发新型高密度存储器件。本项目用团簇离子束制备二维材料，试制二维器件，利用高压气体超声膨胀原理，引出了氩、氮团簇离子束，氩团簇尺寸达到3000atoms/cluster，束流强度达到4-10微安。利用铯溅射纳米靶产生负离子的原理，以石墨粉、硼粉和氟化锂粉末为原材料压铸了石墨靶、硼靶氟化锂靶，产生了C, B, F元素的小团簇，团簇尺寸达到10atoms/cluster，在串列加速器低能靶室获得能量为100eV/atom-20keV/atom的离子束，束流强度达到数十纳安至微安级。用磁分析方法测量了离子束的质谱，观察到Fn、LiF、LiF2、Li、Li2等离子成分。用团簇离子束开展了离子注入制备二维材料和离子束平坦化实验。用氩团簇离子束对固体靶进行了溅射实验，发现纳米硅靶具有高于单晶硅2-3倍的溅射速率。用小团簇离子注入进行石墨烯制备和改性，结合超声震荡方法制备的石墨烯和硫系化合物MoS2, SnS, SnS2，高分辨透射电镜观察到量子点和纳米片结构，在高速分离条件下形成的量子点尺寸达到2-4nm，对Gr/MoS2量子点/纳米片异质结的扫描隧道电流谱测试揭示量子点尺寸对异质结特性的显著影响。电场和光照也会影响量子点的I-V曲线，即存在光忆阻开关效应，光功率效应观察到量子尺度上的光致金属-绝缘体相变，对多比特存储的研究具有重要意义。试制了二维异质结p-SnS/n-SnS2和Au/Gr/Au、Gr/SnS/Gr肖特基金-半异质结，对其结构与电学性质进行了测试分析，观察到显著的阻性开关特性，特别是观察到电磁辐照产生光忆阻效应，呈现较宽的光谱吸收和较高的光响应灵敏度，达到30 A/W，比常规的二维光电探测器的光谱响应灵敏度提高1-2个数量级。用氩团簇离子束垂直辐照单晶硅、石英玻璃、SiC和激光晶体，固体表面粗糙度显著降低，极限粗糙度达到0.2nm，获得了超光滑表面。斜入射时，团簇离子辐照形成了自组装的纳米波纹结构。大尺寸团簇离子与固体相互作用的这些物理规律，为研发超光滑平坦化和纳米波纹制备技术奠定了科学基础。