基于大面积MoS2的柔性高性能低功耗忆阻器

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

在下一代存储设备中，交叉棒状忆阻器阵列具有高密度、快速运行和低功耗多级电导的特点。然而，基于过渡金属氧化物和有机分子的忆阻器在能效、复杂制造和计算任务方面面临挑战。另一方面，基于二维 (2D) 材料的忆阻器因其可控的范德华间隙、超薄厚度无缺陷表面、优异的热稳定性和机械稳定性以及理想的 RS特性(包括低开关电压下的高导通/关断电流比)而具有巨大潜力。许多研究采用过渡金属二卤化物 (TMDs)，如 MoS2、WS2、MoSe2和HfSe2，通过机械剥离、溶液处理、液相剥离等方法制备交叉棒状忆阻器通过化学气相沉积(CVD)和分子束外延MBE)技术生长的基于TMDs(如MoS2和WS2)的晶膜电阻在大面积上表现出均匀的性能，器件与器件之间以及周期与周期之间的变化较小。然而，TMDs 从生长基底到目标基底或图案化底极 (BE)上的额外机械转移会诱发裂纹、断裂褶皱和残留，导致大面积器件间的性能差和变化。制造大规模忆阻器阵列的另一种潜在方法是在预图案化 BE 上合成基于TMD 的活性层。然而，高生长温度 (>600℃)会损坏活性层下的薄金属。虽然有报道称 MoS2 在高温 (1000℃)下直接生长在铂电极上并产生了相应的RS行为，但目前还缺乏对铂电极上MoS2的全面材料分析。此外，由于高温加工和低成品率，在没有额外机械传动的情况下制造基于 TMDS 的大面积柔性忆阻器具有挑战性。

研究成果

柔性技术中的过渡金属二卤化物 (TMDs) 可提供大面积可扩展性和低功耗的高密度集成。然而，由于TMDs的工艺温度较高，在柔性平台中采用大面积TMDs 是最先进的数据存储技术所缺乏的。TMD 的低温生长可以为柔性技术的大规模生产架起桥梁，并降低传输过程的复杂性。在这里，韩国Sunkook Kim教授等人介绍了一种在柔性基底上直接生长的低温 (250℃)等离子体辅助化学气相沉积 MoS2 实现的横条存储器阵列。低温硫化诱导出具有多个晶界的 MoS2 纳米晶粒，允许电荷粒子通过，从而形成导电丝。这种后端兼容的基于 MoS2 的交叉棒状忆阻器表现出稳健的电阻开关(RS)行为，具有约~105 的高导通/关断电流比、优异的耐久性(>350次)、保持率(>200000s)和低工作电压(~0.5V)。此外，在柔性衬底上低温合成的 MoS2有利于在应变状态下展示 RS 特性，并表现出优异的 RS 性能。因此，在PI衬底上直接生长 MoS2 用于高性能交叉棒状忆阻器可以改变新兴的柔性电子器件。相关研究以“Back-End-of-Line Compatible Large-Area Molybdenum Disulfide Grown on Flexible Substrate: Enabling High-Performance Low-Power Memristor Applications”为题发表在ACS Nano期刊上。

总结与展望

在低温条件下，大面积薄 MoS2 直接生长在带有图案化 BE 的柔性衬底上，并演示了其电阻开关行为。因此，在制造交叉棒状忆阻器阵列时，无需将 MoS2 以机械方式转移到柔性衬底或BE上。由于MoS2形成了均匀、薄的纳米晶粒，制备出的忆阻器显示出低周期变化和器件间变化，以及高导通/关断电流比(~105)。该忆阻器在低电压下工作时具有很高的耐久性和保持性，分别超过350 次和 20000 秒。此外，在弯曲应力下的 RS 行为和性能参数表明了柔性 MoS2忆阻器的稳健性。本研究为基于 MoS2的大面积、低功耗、高性能、柔性交又棒状忆阻器阵列提供了一种简单的低温制造工艺。因此，本研究为推动大面积柔性电子器件的制造及其实际应用提供了令人振奋的机遇。

 文献链接

Back-End-of-Line Compatible Large-Area Molybdenum Disulfide Grown on Flexible Substrate: Enabling High-Performance Low- Power Memristor Applications

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03407

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