作者:李润伟等 来源:JACS 发布时间:2012-10-31 10:53:28
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有机电阻型存储材料性能调控研究获进展
 
电阻型随机存储器是基于电致电阻效应提出的一种新型非易失性存储器。所谓的电阻转变是指一个金属/半导体/金属两端器件的电阻在强的外电场或者大的电流的激励下突然发生改变的物理现象。基于电致电阻效应的电阻型存储器(RRAM)以其结构简单、存储密度高、读写速度快、功耗低、与传统CMOS工艺兼容性好等优点而极具应用前景。近年来,有机高分子材料由于具有低密度、低成本、高可加工性和柔性透明等优势,在RRAM领域的应用引起了人们的关注。
 
在中国科学院、科技部、国家自然科学基金委的大力支持下,中国科学院宁波材料技术与工程研究所磁性材料与器件重点实验室李润伟课题组最近在有机/高分子电阻转变研究取得了系列进展。研究人员在大的咔唑侧基修饰聚酰亚胺中发现了稳定的电致电阻现象,通过实验确认了给体受体型聚合物的电荷转移导致了电阻转变。随后,研究人员通过与北京大学吕劲研究组和宁波材料所郑文革研究组合作,选取氧化石墨烯和有机小分子作为给体受体体系,得到了基于石墨烯体系中较好的电致电阻转变性能;进而通过计算,详细研究了给体受体体系的电荷转移过程及其与电阻转变的关系。相关结果发表在RSC的《材料化学》杂志(J. Mater. Chem., 2012, 22, 520;J. Mater. Chem., 2012, 22, 16422)。
 
虽然基于给体受体型的有机非易失性存储器具有低功耗、高的翻转速度、良好的抗疲劳性和极好的尺寸扩展潜力从而被认为是新兴的下一代存储器候选对象。但是,基于给体受体型的有机材料的电阻转变过程难以控制,转变参数分布较宽,从而导致最终的RRAM器件状态的误读和编程错误。因此,找到一种对电阻变化过程可控的方法对于有机RRAM器件应用极为重要。
 
另一方面,人们通常采用降低器件尺寸的方式来获得高密度的存储器。现在人们研究的存储器件的尺寸已经降低到了纳米尺度。在此过程中产生了诸如纳米尺度的制备及速度读写等新的问题。这些问题都阻碍了高密度存储器件的进一步发展。而另外一种提高密度的简单方法就是采用多态存储,这种方法无需额外的制备过程即可轻易地以指数量级提高存储密度。
 
由于聚酰亚胺的骨架结构中没有相应的掺杂位点且其电性质难以调控,李润伟研究团队研究生胡本林在一种高性能高分子——聚西佛碱中发现了电阻转变性能。但是,纯的聚西佛碱的转变参数较为发散。鉴于质子酸掺杂能有效地调控共轭聚合物的导电性,受此启发,该研究组通过质子酸掺杂聚西佛碱体系,发现了可以通过电场精确地调节电阻状态,得到了稳定的电阻转变。在超过1000次的连续循环中,器件的I-V曲线几乎完全重合,转变参数分布极窄。除此外,在掺杂聚西佛碱体系中还发现多态转变和自整流现象,这对提高存储器的密度和可操作性极其重要。相关结果发表于最近出版的《美国化学会志》(JACS, 2012, 134,17408-17411,http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja307933t)。
 
目前,相关研究已经获得授权专利两项(201110060470.3、201110060469.0),申请专利一项(201210067557.8)。(来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
 
未掺杂(a)与掺杂聚西佛碱(b)电阻转变的循环操作性能
 
掺杂聚西佛碱的多态转变,直流模式(a)和脉冲模式(b)
 
 
 
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