【Materials Views中國】有望用于未來彈性可穿戴器件的新型彈性阻變存儲器
電致阻變效應的電阻型隨機存儲器（RRAM）因其具有非易失性、結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、高密度、快速讀寫等優(yōu)勢，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d存儲技術(shù)之一。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷普及對可穿戴電子設備提出了使用更舒適、更適合人體皮膚延展性的要求。這意味著信息存儲器、處理器以及傳感器等電子設備的核心單元需要不斷向柔彈性方向升級發(fā)展。因此，RRAM的柔性化和彈性化引起了科學界越來越多的關(guān)注。深入理解RRAM的機械和電學失效機制，對于實現(xiàn)其柔性化集成具有重要的意義。中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所李潤偉研究員帶領(lǐng)的科研團隊前期研究發(fā)現(xiàn)阻變介質(zhì)以及導致電阻發(fā)生變化的納米導電通道在拉伸應力作用下發(fā)生斷裂是造成器件發(fā)生機械失效的根本原因。采用有機彈性高分子作為阻變介質(zhì)，其在拉伸情況下分子鏈的轉(zhuǎn)動及其環(huán)境水氧耐受性較差，所制備的阻變存儲器在應變下的電學穩(wěn)定性一般都差。
為了解決這一問題，李潤偉研究員帶領(lǐng)的科研團隊進一步提出了采用有機-無機雜化的金屬-有機框架（MOF）材料作為阻變介質(zhì)構(gòu)建RRAM器件，來同時提高柔性RRAM器件的存儲性能、彈性機械性能和熱穩(wěn)定性。MOF材料是有機配體與金屬離子或團簇通過配位鍵構(gòu)建的有機-無機雜化的晶體框架材料。通過合理選擇有機和無機組成單元，MOF材料可通過配位鍵鍵角的改變以及框架結(jié)構(gòu)的規(guī)則變化實現(xiàn)材料的形變（呼吸效應）。這一特性為阻變介質(zhì)的柔彈性化提供了更大的空間。
基于MOF材料的阻變存儲器在應變狀態(tài)下的阻變性能
研究團隊首先采用液態(tài)金屬鎵銦錫合金與聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體進行復合，利用液態(tài)金屬在室溫下優(yōu)異的導電能力和流動性、以及PDMS良好的形變能力，獲得了在拉伸形變達到100%的情況下仍能保持導電率基本不變（>1.3×103S/cm，波動<5%）的LM-PDMS彈性導電襯底材料。然后，利用改進的液相外延法在LM-PDMS彈性導電襯底上制備了具有菱形孔洞結(jié)構(gòu)、大孔隙率以及鍵角可調(diào)特征的柔性金屬-有機框架MIL-53薄膜（理論最大形變值為17.7%）。通過電場驅(qū)動LM-PDMS導電襯底中的鎵元素發(fā)生離化、注入以及還原，在MIL-53薄膜中形成了Ga成分的納米導電細絲。由于MIL-53的大孔隙率和鍵角可調(diào)的特征使其菱形拓撲結(jié)構(gòu)在拉伸情況下可以發(fā)生規(guī)則變化，進而減小了應變對局域?qū)щ娡ǖ赖挠绊?。而在MIL-53孔徑中所形成的Ga導電細絲的柔性特征也可以隨之發(fā)生形變而不斷裂，因此所制備的阻變存儲單元具有良好的機械和電學性能。Ag/MIL-53/LM-PDMS在0到10%的動態(tài)拉伸形變范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的阻變特性，時間保持性可超過104s。這一研究結(jié)果對開發(fā)用于未來彈性可穿戴設備的彈性阻變存儲器有重要參考意義。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Electronic Materials（DOI：10.1002/aelm.201800655）。
?。ㄔ挠?019年02月20日發(fā)布于Materials Views中國網(wǎng)站）
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