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[Adv. Mater.]单层二维聚合物薄膜忆阻器--【刘磊】

      忆阻器是由两电极及夹在两电极之间的功能层组成的两端器件。导电桥连随机存储器是最常见的类型之一，其在超高密度电路、人工神经模拟以及内存计算等方面有着广泛的应用前景。然而，由于电阻切换过程中不可控的离子传输导致导电丝分布以及形成与断裂较为随机，器件的均一性较差，从而限制了其进一步应用。动力学蒙特卡洛（Kinetic Monte Carlo, KMC）理论研究表明，功能层的厚度会影响导电丝的形貌和维度：不断降低功能层的厚度会极大地减小导电丝的随机性进而有利于提升器件的均一性。


       最近的研究表明，基于单层的过度金属硫族化物以及六方氮化硼实现了数据存储，将功能层厚度放缩至亚纳米尺度，但器件的均一性和耐久性仍需进一步提升。此外，化学气相沉积法制备无机二维材料在器件制备过程中往往伴随着复杂的转移过程。因此，发展具有优异电阻切换性能的薄层材料体系作为忆阻器的功能层对于改善器件的均一性至关重要。

       近日， 天津大学理学院的 胡文平教授和 雷圣宾教授团队 利用1，3，5-三（四氨基苯基）苯 (TAPB) 与邻位具有不同长度烷氧基链的对苯二甲醛 (TPO C x , x=0, 2, 4, 8, 12, 16, 22) 通过Langmuir-Blodgett (LB) 技术合成了高度结晶的单层二维聚合物薄膜。得益于单层二维聚合物高度有序的结构、易于官能团化以及易于制备范德华异质结等优势，将其作为导电桥连存储器的功能层，存储器件呈现出优异的稳定性、耐久性以及均一性。相关成果发表在化学领域TOP学术期刊 Advanced Materials 上。



     作者通过LB法制备了一系列高度结晶且具有优异自支撑特性的单层二维聚合物薄膜，长的烷氧基链的引入不仅有利于提高材料的结晶性，同时在后续器件制备过程中起到了阻挡金属渗透的作用。相比于Ag/CM P TAPB+TPOC22/ITO，高度结晶的2D P TAPB+TPOCx (X=8, 12, 16) 作为功能层时，器件呈现出低的可变性 ( σ Vset = 0.14)、高的成功率 (＞93%)、优异的耐久性以及稳定性 (＞ 10 5 s)。通过制备双层异质结，将导电丝的形成与断裂限域在两层之间，器件的均一性进一步提升 ( σ Vset = 0.04)，开启电压的平均值以及标准偏差低于目前报道的基于无机二维材料的忆阻器。


     作者对器件均一性提升的原因进行了探究，XPS测试表明，亚胺键处的N以及烷氧基处的O与Ag进行配位，锚定导电丝形成位点，如STM图像所示：Ag总是位于二维聚合物的骨架上，降低了导电丝的随机分布；同时表明器件可放缩至纳米尺度。通过峰值力隧穿原子力显微镜构筑的超小器件 (< 50 n m 2 ) 表明其优异的可拓展性。此外，由于单层二维聚合物超薄的特性以及固有的柔性，超薄柔性器件具有良好的耐弯折性能，能承受高达2.6%的应变。该工作首次将单层二维聚合物薄膜应用于忆阻器，表明单层二维聚合物薄膜在高密度信息存储以及超薄柔性电子器件等方面均具有潜在的应用前景。

     该论文的第一作者是天津大学理学院博士研究生 刘磊，论文共同通讯作者为 胡文平教授、 雷圣宾教授和西北民族大学 吴凌莉博士。该研究由国家自然科学基金资助支持。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208377
 
A Highly Crystalline Single Layer 2D Polymer for Low Variability and Excellent Scalability Molecular Memristors  
   
Lei Liu, Bowen Geng, Wenyan Ji, Lingli Wu, Shengbin Lei, Wenping Hu    
Adv. Mater., 2023, 35, 2208377, DOI: 10.1002/adma.202208377    

 





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