基于二维材料纳米孔径调控的新型忆阻器件物理机制和性能优化研究

Memristor is a resistance switching device which can keep the internal resistance based on the applied voltage and current status. Having great application prospects, it also faces many challenges in the current key stage of “lab” to “fab”. Memristors based on Tantalum oxides and Hafnium oxides have been shown to own high endurance (more than 1e10), which are two types of resistance switching materials with the greatest potential for memristor devices. In this project, the traditional metal/oxide/metal sandwich structure memristors will be improved by utilizing the advantages of two dimensional materials in electrical, thermal, mechanical and other aspects. Firstly, we will fabricate the conductive filaments controllable memristor devices based on two-dimensional materials (Graphene, MoS2-xOx)/transition metal oxides (Tantalum oxides, Hafnium oxides) interface. Furthermore, the electrical characteristics and resistance switching mechanisms of the novel memristor devices will be systematically studied. Finally, the randomness of conducting filaments in transition metal oxides and the voltage and current required for memristors will be reduced by controlling the size of the nanopore in the two-dimensional materials, achieving the device performance optimization. This project research and its achievements are of great significance to promote the application of the next generation of mainstream information storage technology and brain-like calculation device system in our country.

忆阻器，是一种基于“记忆”外加电压或电流历史而动态改变其内部电阻状态的器件，在拥有巨大应用前景的同时，其在从科研转向产业化的关键阶段也面临着诸多挑战。经过近几年的研究发现：基于氧化钽和氧化铪的忆阻器件具有很高的开关次数，超过1e10，成为两类目前最具潜力的忆阻器的阻变材料。本项目拟在传统金属/氧化物/金属三明治结构的忆阻器件基础上，结合二维材料在电学、热学、机械等方面的优越性能，改进传统器件结构并提高其工作性能。实现基于二维材料(石墨烯、二硫化钼)/过渡金属氧化物（氧化钽、氧化铪）异质结构的导电细丝可控的新型忆阻器件；系统研究新结构忆阻器件的电学特性及工作机制；通过调控二维材料中纳米孔尺寸减少过渡金属氧化物中导电细丝形成的随机性及器件工作所需的电压和电流，实现器件性能的优化。该项目研究及其成果对于推动我国下一代主流信息存储技术、类脑器件方面的应用具有重要的意义。

忆阻器，是一种基于“记忆”外加电压或电流历史而动态改变其内部电阻状态的器件。目前绝大部分忆阻器都集中在金属/氧化物/金属三明治结构，不同阻变材料的金属/氧化物/金属忆阻器件都拥有各自的特点，但是都无法同时满足忆阻器件从科研转向产业化阶段所要达到的实际应用标准。其中最关键的问题是金属氧化物中导电细丝形成的位置和大小是随机的、不可控的，从而影响了忆阻器件各项工作性能的提高。本项目主要利用二维材料的纳米量子点结构以及掺杂等调控手段改进了传统金属/氧化物/金属三明治的忆阻器件结构，系统研究了新结构忆阻器件的电学特性以及物理机制。此外，我们通过多组对比实验以及理论计算，系统分析了影响新结构器件工作性能的关键技术参数，进一步调控并优化了新结构忆阻器件的各项工作性能。主要研究结果包括：1）制备并完成了基于二维材料/氧化物结构的导电细丝可控的多种不同种类的忆阻器件，系统研究了这些器件的电学特性以及工作机制，并实现了器件的性能优化；2）制备并完成了基于不同量子点材料掺杂的导电细丝可控的新型忆阻器件，并系统研究了这些器件的电学性能以及工作机制；3）实现了基于忆阻器件的人工突触以及人工神经元研究，并进一步设计了基于忆阻器件的神经形态硬件系统，实现了类似于“巴普洛夫的狗”的经典条件反射行为以及均值漂移的无监督学习算法。以上研究成果在Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters、ACS Applied Nano Materials等期刊发表SCI论文16篇、在国际会议上发表论文3篇，申请发明专利12项。培养研究生6人。该项目研究及其成果对于推动我国下一代主流信息存储技术、类脑器件方面的应用具有重要的意义。