英文原题：Multi-photoconductance Levels of the Organic Semiconductor of Polyimide-based Memristor Induced by Interface Charges
通讯作者：周广东（西南大学）宋群梁（西南大学）
作者：Wenhua Wang, Guangdong Zhou, Yuchen Wang, Bingtao Yan, Bai Sun, Shukai Duan, and Qunliang Song
采用磁控溅射方法制备了Au/聚酰亚胺(PI)/Au结构的忆阻器，研究了多光电导电阻开关(RS)的记忆行为。PI基忆阻器展现了稳定的双极RS记忆行为并对可见光敏感。在365、550、590和780 nm 波长的光照下，获得了高阻态(HRS)和低阻态(LRS)的四种离散电导态。电子在PI阻变层和界面处缺陷的捕获和去捕获是观测到RS记忆行为的主要原因。通过光照增强电子的捕获和去捕获过程是产生多光电导态的原因。
研究背景
忆阻器作为一种新兴的纳米级电子器件，在超高数据存储、逻辑应用和神经形态计算方面具有独特的优势，受到学术界和工业界的广泛关注。忆阻器的光响应特性为其模拟生物视觉系统功能带来了机遇。有机忆阻器的生物相容性、突触可调性和仿生学等优势为神经形态计算提供了各种有利的应用。尽管有机忆阻器具有以上优势，但现有有机忆阻器仍面临稳定性和复杂的制备工艺等方面的挑战，同时有机忆阻器的阻变机理仍需要研究分析。广泛应用的聚酰亚胺不仅可以作为绝缘层、光电器、柔性衬底，而且还可以作为活性层。此外，聚酰亚胺作为一种特殊的工程材料，具有成熟的制备工艺，已广泛应用于电子器件等各个领域，从材料方面保证了器件制备的便捷性和稳定性。
快讯亮点
团队通过磁控溅射法制备出工艺结构简单的Au/PI/Au有机半导体忆阻器，具有稳定显著的光响应现象，>104秒的阻态保持时间和多光电导行为。同时团队对Au/PI/Au的伏安曲线正向偏移和多光电导态的机理进行了分析，认为电子在PI薄膜和电极界面处缺陷态的捕获和去捕获，以及采用不同波长的光照激发电子的捕获和去捕获作用是观察到阻变行为和多光电导态的原因。
内容介绍
在本文工作中，通过调节阻变层和电极的制备工艺，在Au/PI/Au忆阻器中实现了多光电导态和稳定的RS记忆行为。为了理解PI基忆阻器的多光电导和RS记忆行为共存，提出了电子在PI功能层内部和界面处电荷陷阱的捕获和去捕获的物理动态过程。
图1 基于PI基忆阻器的RS记忆行为（a）Au/PI/Au忆阻器的电流-电压(I-V)曲线。（b）RS记忆行为的循环稳定性以及SET和RESET的统计电压。（c）扫描速率对RS行为的调控。（d）不同扫描速率下SET/RESET电压和HRS/LRS电阻的分布。（e）RS行为对扫描电压的依赖性。（f）在不同工作电压幅值下的SET/RESET电压和HRS/LRS分布。
图2 PI基忆阻器的光响应。(a) 忆阻器在光照下的示意图。(b) 暗态和光照下PI基忆阻器的I-V曲线。(c) PI基忆阻器+光响应特性的非易失性。(d)光照下忆阻器电阻变化的I-V曲线。不同波长的光照下(e) HRS和(f) LRS的多光导态。
图3 PI基忆阻器的多光电导态的物理动力学过程。(a) PI基忆阻器中电荷陷阱在界面和 PI薄膜中的分布。(b) 电子在界面处积累导致内建电场增加，电子在高电场下通过弗伦克尔-普尔隧穿注入。(c)电子基导电通路形成，导致忆阻从HRS置位到 LRS。(d) 负偏置电压扫描下导电路径的维持。(e) 电子基导电通路的断裂，使忆阻器复位到 HRS。(f) 光激发缺陷中的电子导致电导值增加。(g) 光照下电子的去捕获作用建立了内建电场，削弱了外加电场，使I-V曲线发生正向移动。(h) 光照增强了电子在高电场下的弗伦克尔-普尔隧穿。(i)光照使电子基导电通路显著增强。
将PI基忆阻器的动力学过程分为四个阶段。为了说明清楚，这里只采用电子和电子陷阱。缺陷态分布在PI薄膜和界面处 (图5a)。第一阶段，在正偏置电压下，这些陷阱逐渐被注入的电子填充，导致PI基忆阻器的电流逐渐增加。此外，在顶部电极界面上积累的电子产生一个与外部电场（Eexternal）方向相同的内建电场（Ein），在电子基传导路径建立之前使电场增强。第二阶段，当偏置电压超过0.6 V时，在高电场的作用下，电子通过弗伦克尔-普尔隧道（Frenkel-Poole）隧穿注入，更多的缺陷态被注入的电子填充 (图5b)。电极之间建立了电子基传导路径，导致PI基忆阻器从HRS切换到LRS。此外，随着电子的均匀分布，Ein逐渐减弱(图5c)。在第三阶段，在0到-0.8 V的负偏置电压下，电子发生去捕获过程 (图5d)。在这一阶段器件仍处于LRS，因为除了被底部金电极陷阱捕获的电子，其余的从底部电极注入的电子可以通过导电通路在电极之间自由传输。在第四阶段，一旦负偏置电压超过-0.8 V，PI基忆阻器从LRS切换到HRS，这表明由于电子的去捕获过程导致导电通路断裂 (图5e)。在去捕获过程中，电子在底部电极界面处的积累产生了微弱的Ein。在电场的驱动下，缺陷态对电子的捕获/去捕获形成了内建电场。只有借助电荷在体内和界面处的积累，才能在电极之间构建导电路径。器件被循环扫描回第一阶段，在正偏置电压下，先前扫描产生的Ein首先被注入的电子消除，造成微小的I-V曲线正向偏移。
暗态的四个阶段发生的过程在光态下也会存在，唯一的区别是光照增强了电子的捕获和去捕获过程，使HRS和LRS的电导值增强。结果表明，Au原子穿透PI薄膜很容易获得电子，形成Au-、Au-2 和 Au-3，且RESET过程后电子更多地积累/捕获在电极底部。电极界面处被捕获的电子被激发并被金陷阱重新捕获。在光照条件下，将形成更大的Ein相对于暗态条件下 (图3f)。因此需要一个更大的Eexternal来消除增强的Ein，导致可观察到的I-V移动。值得一提的是，由于金电极的透光性，随着顶部电极厚度的减小，更多的捕获电子被激发，导致较大的I-V移动。随着偏置电压的增加(Eexternal)，Ein逐渐减小直到消失(图5g)。底部电极侧不断增加的去捕获电子和顶部电极侧不断注入的电子形成了高电场。电子最终通过Frenkel-Poole隧穿注入，通过填充PI薄膜和电极底部的缺陷态，在电极之间建立电子基导电通路来SET器件(图5h)。在LRS时电子的捕获和去捕获过程大大增强，使器件的电导值显著增加 (图5i)。因此，在不同的波长的光照下，可以获得稳定的多光导态。电子的捕获和去捕获随光强的变化而变化，导致器件的电导率发生离散变化。此外，深陷阱能级的电子也有助于光电导的改变，在偏压下，电子可能发生跃迁和隧穿。在光照条件下，更多的电子从深缺陷的中心跃迁和隧穿增加了光电导值。
文章链接
1.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.2c02651
2.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.2c01906
3.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.1c01420
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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