通过分子介导离子迁移合理设计高性能多功能有机忆阻器

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

多功能存储器已成为下一代信息处理和计算元件的最有潜力的替代方案之一，如用于数据存储的具有明显电阻开关(RS)的器件、用于突触模拟的渐变传导更新器件和用于神经元发射模拟的阈值开关 (TS)器件。作为存储器件中最受关注的有效机制之一，有源层内离子与周围基质的可逆结合实现了离子迁移，使这些器件脱颖而出。然而，离子的迁移和导电丝(CFs)在忆阻层内部的形成对忆阻层的结构(如微孔和成分)高度敏感。因此，许多研究结果表明，对于它们的电学性能而言，有效控制忆阻器行为以实现多种功能是一项挑战，而且这在很大程度上限制了器件的生产率、保持稳定性、循环稳定性和器件的均匀性。

有机分子是最有希望制备忆阻器活性层的功能材料之一，因为其结构种类丰富、易于在分子水平进行结构设 计、溶液可加工性、尺寸可扩展性强。因此，为了实现高性能和多功能，追求高合理性和高效率的设计策略是非常可取的，特别是从分子组的角度进行合理设计合理设计精致的分子个导的离子传输以实现高生产率、低工作电压、稳定开关、状态保持和特定功能是非常有前景的。到目前为止，有效的策略还很少，而针对具有特定配位基团的分子调控离子的特定平台也鲜有报道更不用说系统的表征了。锌卟啉(ZnTPP)分子具有金属 Zn 配位中心，可以配位和调解迁移的氧，被引入到存储器功能层中。因此存储器件必须在高电压下工作，均匀性差，RS 功能简单。

研究成果

有机存储器因其分子结构设计的简易性而在下一代电子元件中备受关注。然而，由于其难以控制的低离子传输，有效控制其随机迁移、路径和持续时间一直是至关重要的挑战。目前还很少有有效的策略，而针对具有特定配位基团的离子调控分子的特定平台也鲜有报道。在本研究中，南京邮电大学仪明东教授团队使用一种通用的合理设计策略，将具有多个配位基团和小平面结构的四氰配二甲烷(TCNQ)引入到稳定的聚合物框架中来调控银离子迁移，从而实现了理想的生产率、低工作电压和功率、稳定的开关周期和状态保持的高性能器件。拉曼图谱表明，迁移的 Ag 能够与嵌入的 TCNQ 分子发生特殊的配位。通过拉曼图谱、原位 C-AFM、XRD和深度剖析XPS，作者可以调控TCNQ 分子在聚合物框架内的分布，并通过控制形成的银导电丝(CFs)来调节忆阻行为。因此，可控的分子介导的银离子运动显示了其在合理设计高性能器件和多功能方面的潜力，并对构建分子介导离子运动的忆阻器具有启示意义。相关研究以“Rationally designing high-performance versatile organic memristors through molecule-mediated ion movements”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Molecule-mediated ionic migration and electrical characteristics of the PVK:TCNQ(CF) based memory.

Figure 2. Raman and in-situ C-AFM characterizations for the hybrid films.

Figure 3. Mechanism investigations of ITO/PVK:TCNQ(CF)/Ag device.

Figure 4. Device ITO/PVK:TCNQ(ACN)/Ag with multilevel conductive states.

Figure 5. Device ITO/PVK:TCNQ(THF)/Ag with threshold switching performance for bidirectional neuron firing.

总结与展望

总之，作为一种通用的合理策略，作者基于众所周知的 Ag 和TCNO 之间微妙的氧化还原配位反应，制备出了嵌入在PVK、PS、PMMA框架中的双端器件。通过TCNO分子控制Ag离子迁移，混合存储器件显示出高性能，包括理想的生产率、低操作电压和功率、稳定的开关周期、状态保持、均匀的操作和性能。拉曼、原位 C-AFM、XPS和XRD结果表明，可以调节聚合物框架内 TCNO 分子的分布和的分离，并调节 Ag CFs 的形成形状。作者扩大了嵌入的TCNO ，获得了稳定的多级导电态和持续更新的导电态，实现了有效的脑启发模式识别。不仅如此，该器件通过调制小的 TCNO 介导脆弱的 Ag CFs，实现了稳定的高导通/关断比的阈值开关。这种单组分器件实现了双向整合和发射行为，超越了单向神经元行为。总之，嵌入 TCNO 分子控制银离子迁移的聚合物器件为合理设计高性能和多功能存储器件提供了新的策略，有望在分子介导的离子忆阻器领域引起广泛关注。

文献链接

Rationally designing high-performance versatile organic memristors through molecule-mediated ion movements

https://doi.org/10.1002/adma.202302863

转自：“i学术i科研”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！