碳基电路中的纳米尺度阻式存储稳定实现及物理机制

在碳基电路中利用石墨烯制备高性能纳米电子器件已经成为超越Si工艺关键可能的技术之一。突破零带隙限制和平面沟道形成工艺后，石墨烯晶体管的研发使全碳电路逻辑模块快速发展。然而，在电路中具有相当重要地位的存储器却仍然在全碳电路研究中尚未引起应有的关注。本项目拟将阻式存储技术应用于纳米尺度碳基电路中，特别是利用电子束光刻技术将石墨烯氧化物基阻式存储器件在纳米量级上稳定实现是比较创新的研究思路。同时还将利用低温（～4.2K）电学测试系统研究其阻变行为根本物理机制，研究电阻开关行为中的载流子输运机理，利用透射电子显微技术结合扫描探针技术进行实时原位检测以获得直接物理证据。本项目还将拓展研究氧化物吸附层功能团对其电学特性的调制作用以及尝试磁场下电阻行为变化与电致阻值变化结合在一起的全新多物理参数调制的多态存储器件。本项目的成功实施将在碳基电路发展中具有重要的源头创新意义。

本项目针对碳基电路中的存储技术特别是阻式存储技术进行了细致研究，获得了基于氧化石墨烯的阻式存储器件、优化性能及相关机理。研究发现，在石墨烯氧化物中的SET和RESET速度的不对称性，提出了电场调制的氧空位扩散势垒高度调制模型，首次提供了石墨烯氧化物阻变存储的氧空位扩散物理证据。利用低温电学测试系统研究其阻变行为根本物理机制。同时，对由石墨烯氧化物经还原后化学制备的少数层石墨烯体系进行无损表征并利用洛伦兹振子计算其内部电子缺陷结构与分布，成功获得其层数及缺陷引起的带内跃迁精细能级结构。并在此基础上获得了能带可调控的还原石墨烯氧化物，对氧化石墨烯材料的还原过程的控制可以调控其带隙，进而能够对石墨烯物理特性进行人工裁剪，在不同光谱区实现不同的光学吸收和超快光学响应等特性。创新性地提出了基于椭圆偏振光谱术的快速无损测量石墨烯带隙的方法，为石墨烯在电子器件领域的应用提供了解决方案。同时针对石墨烯纳米带进行了输运特性计算，提出了系列石墨烯基新器件概念。本项目进行期间在Carbon、Applied Physics Letters、Scientific Reports等国际主要学术期刊上已发表SCI论文18篇，EI论文1篇，申请专利8项，其中授权一项。