中圖分類號:069 文獻標志碼:A
Research Progress on Memristors Based on Two-Dimensional Organic Thin Film Materials
XIANG Minghan1, ZHANG Bin1,2,XUAN Fuzhen2 (1.SchoolofChemistry and MolecularEngineering,2.Shanghai KeyLaboratoryof Inteligent Sensing and Detection, East China University of Science and Technology, Shanghai 2oo237, China)
Abstract:Memristors,asemerging electroniccomponents,haveatracted extensive attentionduetotheir potential to integrate storageandcomputation.Two-dimensional organic thin films (2DOTFs)possessatomic-level precise layered structures,tunableelectronicproperties,and excelent mechanicalflexibility.These materialsenableefficientelectrical conductivitycontrolthrough precise microstructuraland surfacechemical regulation.Inrecent years,memristorsbased on 2D OTFs have becomearesearch hotspot,driven bytheir ultrathin geometry,superior flexibility,and tunableelectrical performance.This review examines memristors basedon2D OTFs highlighting their preparation methods,resistance switching mechanisms,and application prospects.Four major preparation methods are discussed: solvothermal synthesis, interfacial polymerization,single-phasesynthesisatroom temperature,andelectrochemical polymerization.Solvothermal synthesis formscrystaline 2DOTFs through high-temperaturereactions inorganicsolvents.Interfacialpolymerization enablescontrolled synthesis of 2D OTFs with adjustable thicknessand dimensions.Single-phase synthesis of 2D OTFsat room temperature addresses challenges of precise thickness control and harsh conditions.Electrochemical polymerization produces uniform,porous films with tunable thickness and superior electrical properties.Resistance switching mechanisms in 2DOTFs memristors includeion migration,charge transfer,redoxreactions,conformational changes,and multiple mechanisms.Ionmigrationinvolvesredoxreactionsunderanelectricfield,enablingreversibleelectron transferand conductivitychanges.Charge transferreliesonchargeredistrbutionindonor-aceptorsystems,facilitating electrontransport and esistance switching.Redox-activeunits in 2DOTFs enablereversible redox processs,crucial for non-volatile memory. Conformational changes in polymer chains create eficient charge transport pathways,enhancing device performance.The multiple mechanismsutilize light-induced electron movementto generatechanges in current orvoltage,achieving controlable variations inresistance.Thereviewalsoaddresseschalenges and future directions,such asimproving material solubility,enhancingmechanicalstability,andaddressingstabilityissuesinhigh-temperatureandhigh-humidity environments.
Key words: two-dimensional organic thin film;memristor;non-volatile storage;resistance switching mechanism; flexible electronics
隨著云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)規(guī)模呈指數(shù)級增長。據(jù)統(tǒng)計[1,在未來幾年內(nèi)全球數(shù)據(jù)總量預(yù)計每年增長 40% 以上。面對海量數(shù)據(jù)的激增,現(xiàn)有的存儲與計算架構(gòu)在容量與速率上面臨嚴峻考驗,傳統(tǒng)的基于馮·諾依曼架構(gòu)的計算技術(shù)由于數(shù)據(jù)傳輸能耗增加、計算速率受限以及摩爾定律的失效[2],已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代計算需求,因此對先進材料電子元件在存儲計算中具備快速響應(yīng)、高保真度和非易失性存儲能力的需求日益迫切[3]。
作為繼電容、電阻、電感之后的第四種電學(xué)元件,憶阻器是描述磁通量與電荷之間關(guān)系的關(guān)鍵器件,其具備結(jié)構(gòu)簡單、讀寫速率快、成本低[5]、功耗低[]、耐久性強[7]、優(yōu)異保留特性[8]以及高密度存儲能力[9]等顯著優(yōu)勢。憑借獨特的電阻切換機制與記憶電阻特性,憶阻器在信息存儲、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬、人工智能技術(shù)及低功耗電子設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力,已成為當前學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的研究熱點[1]。作為一種兩端電子元件,憶阻器由頂電極、活性層材料和底電極構(gòu)成,通過施加電壓或電流脈沖,可以控制活性層的電阻狀態(tài)。活性層材料的電子結(jié)構(gòu)、離子遷移能力以及界面特性直接影響憶阻器的開關(guān)速率、電阻變化范圍、穩(wěn)定性等性能。
隨著信息技術(shù)和計算需求的不斷提升,研究人員不斷探索新型材料作為憶阻器的活性層以提升器件的存儲性能和電荷傳輸效率。目前,眾多材料包括氧化物[11]、鈣鈦礦[12]、有機材料[13]、量子點[14]、氫鍵框架材料[15]以及無機二維材料[16等已被應(yīng)用于憶阻器的功能層設(shè)計。
在這一背景下,基于二維有機薄膜材料(2DOTFs)的憶阻器正在成為高密度存儲和計算應(yīng)用的潛在候選者[13]。2DOTFs具有低成本、輕量化和結(jié)構(gòu)多樣性的特點,保持了高度有序的晶體結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的物理和功能特性[17],其超薄的幾何結(jié)構(gòu)和分子級可控的界面特性,使其能夠有效促進電荷傳輸和離子遷移,這為憶阻器的電阻切換提供了良好的基礎(chǔ),成為憶阻器活性層的理想選擇。通過精確設(shè)計分子結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)以及界面特性,可以實現(xiàn)對電子和離子輸運機制的有效調(diào)控。
與其他前沿材料相比,2DOTFs展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。氧化物材料的脆性和低柔韌性限制了其在柔性電子中的應(yīng)用;鈣鈦礦材料的力學(xué)性能較差;量子點材料制備成本高且難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用;氫鍵框架材料導(dǎo)電性仍需進一步提升。相比之下,2DOTFs具有可調(diào)的電子特性、高電荷遷移率和優(yōu)異的機械柔韌性,能通過分子設(shè)計實現(xiàn)多功能化,基于2DOTFs制備的憶阻器具有強大的計算能力[18]、存儲容量[19]、多功能性和極低的能耗[20],在氣體分離[21]、能源存儲[22]、生物醫(yī)學(xué)[23]等領(lǐng)域展現(xiàn)出的巨大應(yīng)用潛力。
本文綜述了近年來基于2DOTFs的憶阻器的研究進展,包括材料的制備方法、電阻切換機理及其在實際應(yīng)用中的前景與挑戰(zhàn),并對未來的研究方向進行了展望,旨在為二維有機薄膜憶阻器的發(fā)展提供理論指導(dǎo)。
1用于憶阻器的2DOTFs的制備
2D OTFs是一種通過共價鍵相互連接而成的結(jié)晶性多孔有機聚合物,它具有高度有序的層狀結(jié)構(gòu)、獨特的功能性以及良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,其層間堆疊和二維層中 π 軌道的橫向共軛使其在膜分離[24]、傳感[25]、催化[26]和光電子[27]等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。為了優(yōu)化憶阻器性能,制備高質(zhì)量的2DOTFs至關(guān)重要。然而,大面積、超薄且均勻的二維有機薄膜的可控制備仍存在諸多技術(shù)難題。目前已提出了多種制備策略,包括溶劑熱法、界面聚合法、室溫單相法以及電化學(xué)聚合法(表1),以開發(fā)應(yīng)用于憶阻器的高質(zhì)量薄膜。
表12DOTFs的制備方法
Table1 Preparationmethods for2D OTFs
1.1 溶劑熱法
溶劑熱法是制備2DOTFs的傳統(tǒng)方法,該方法是在特定的有機溶劑中,利用高溫、高壓條件促進反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng),形成長程有序結(jié)構(gòu)的2DOTFs。Sun等[28]在高壓釜中使用定制設(shè)計的聚四氟乙烯(PTFE)支架,通過 200°C 的溶劑熱反應(yīng)在氧化銦錫(ITO)涂層的玻璃基板上制造聚酰亞胺薄膜(PI-NTCOF)。以1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)-均三甲苯(體積比為1:1)混合液作為溶劑、異喹啉作為催化劑,用供電子的4,4,4-三氨基三苯胺(TAPA)和吸電子的萘-1,4,5,8-四羧酸二酐(NTCDA)合成的COF具有有序的晶體結(jié)構(gòu)、良好的正面晶粒取向偏好和光滑的表面(圖1(a))。Li等[29]通過在密封玻璃管中使用甲苯、二甲基乙酰胺、乙酸等有機溶劑將4,4,4-(1,3,5-三嗪-2,4,6-三偶氮基)三苯胺、[2,2-雙噻吩]-5,5-二基甲醛兩種單體在 120‰ 下成功制備了電子給體-受體(D-A)型亞胺連接的COF納米晶。此外,他們還使用溶劑熱合成方法在ITO玻璃上原位生長獲得COF薄膜,即將導(dǎo)電表面朝下的ITO玻璃密封加熱 120qC 并保持 72h ,獲得了大規(guī)模和高質(zhì)量的COF 薄膜(圖1(b))。相比于有機溶劑熱法,以水為溶劑的合成方法更具環(huán)保優(yōu)勢。Wang等[30]提出了一種新型自模板水熱法(圖1(c)),該方法使用4-二甲氨基吡啶(DMAP)作為堿催化劑,在 160°C 下通過 Knoevenagel縮合反應(yīng),在分子/水界面合成亞乙烯基連接的COF納米片,該薄膜在酸堿處理后依然保持優(yōu)異的開關(guān)穩(wěn)定性。
圖1(a)ITO涂層玻璃襯底上溶劑熱合成PI-NTCOF薄膜的示意圖[28];(b)D-ACOF的傳統(tǒng)溶劑熱合成,其薄膜在ITO襯底上的原位生長[29];(c)分子/水界面自模板水熱合成示意圖[30]Fig.1(aScheaticdgaofsvothealsthsisof-COFinsonOoatedglasubsrate2];CovealsotthermalsyntesisofD-ACOF,itsnitugowthofthinfisonIOsbstrates29l;(c)Shematicdagramofhydrothealsthsisfrom template at the molecule/water interface [30]
1.2界面聚合法
溶劑熱法合成的二維COF通常為不可溶且難以加工的粉末,這限制了基于二維有機薄膜的電子和光電器件制造。采用界面合成策略(如液-液、氣-液、氣-固和液-固界面合成),可以有效解決這一問題,并實現(xiàn)厚度和橫向尺寸可調(diào)的2DOTFs的受控合成[31]。
Banerjee 等[32]以氨基-對甲苯磺酸鹽為介導(dǎo),在室溫下成功合成了高質(zhì)量的COF薄膜。該方法利用有機相(含胺和醛)與水相(含酸催化劑)之間的界面聚合反應(yīng),有效調(diào)控了前體物質(zhì)的擴散速率,從而實現(xiàn)了對結(jié)晶過程的熱力學(xué)控制。該方法不僅解決了芳香胺單體溶解性差的問題,還使COF薄膜的合成更加溫和可控。Alshareef等[3]以1,3,5-三甲酰基間苯三酚(Tp)、4,4'-偶氮二苯胺(Azo)、對甲苯磺酸(PTSA)和氯仿為原料,使用三層溶劑法成功制備了Tp-Azo COF 薄膜。通過將 Tp的氯仿溶液和Azo的對甲苯磺酸鹽溶液混合,為獨立薄膜的制備提供了平臺(圖2(a))。Wu等[34]首次在室溫下合成了具有完整 sp2 碳骨架的亞乙烯基橋聯(lián)COF 薄膜(圖2(b))。以KOH水溶液為催化劑、1,3,5-三(4-甲?;交┍剑═FPB)和對苯二乙晴(PDAN)的二氯甲烷溶液為有機相,在液-液界面形成COF納米球,通過共價自組裝,該納米球逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂虚L程有序排列的自支撐COF薄膜?;贏I/COFs/ITO結(jié)構(gòu)的電子器件具有非易失性和可重寫記憶效應(yīng),開啟電壓為0.84V ,并能夠執(zhí)行簡單的\"OR\"邏輯運算。
圖2(a)以Tp、Azo、PTSA 和氯仿為原料制備Tp-Azo COF薄膜的緩慢形成過程示意圖[3];(b)亞乙烯基橋COF 薄膜的界面合成[34]Fig.2(a)Schematicilustrationof tesowfoationprocessofT-AzoCOFthfl,preparedbypAzo,Aandchofoprecursors[3];Interfacial synthesis ofvinylbridge COFfilms[34]
1.3 室溫單相法
盡管溶劑熱合成是制備二維有機薄膜的一種常用方法,但其仍存在薄膜厚度精準調(diào)控困難、反應(yīng)條件苛刻且需復(fù)雜預(yù)處理等問題。此外,通過固/液-液界面聚合制備的薄膜通常會面臨結(jié)晶度不足、單體兼容性差以及反應(yīng)周期長等問題。針對這些挑戰(zhàn),Zhang 等[35]開發(fā)了一種室溫單相合成策略(圖3),在均相溶液中通過亞胺縮合反應(yīng),將一種典型的金屬團簇 Cu3(PyCA)3 和三(4-氨基苯基)胺(TAPA)這兩個氧化還原活性單元構(gòu)筑到 Ta-Cu3COF 中,制備了具有雙氧化還原活性的COF薄膜。經(jīng)酸剝離和旋涂處理后,納米片轉(zhuǎn)化為薄膜,其協(xié)同氧化還原活性中心與高結(jié)晶度相結(jié)合,顯著降低了氧化還原能壘,為電導(dǎo)狀態(tài)調(diào)控提供了優(yōu)勢?;?Al/Ta-Cu3 COF/ITO結(jié)構(gòu)的憶阻器在脈沖模式下可非易失性地調(diào)節(jié)128個電導(dǎo)狀態(tài),將神經(jīng)形態(tài)計算的識別準確率提升 45.56% ,顯著提高了計算效率與精度。
1.4電化學(xué)聚合法
界面聚合技術(shù)將化學(xué)反應(yīng)限制在界面處進行,能夠合成均勻且大尺寸的有機薄膜。其中,電化學(xué)界面合成因具有高可控性、高效率及低原料消耗等優(yōu)點,被認為是制備高質(zhì)量有機薄膜的前沿技術(shù)。常見的電化學(xué)氧化單體,如噻吩、吡咯、咔唑和奠,可通過陽極電聚合在電極表面形成薄膜。以咔唑為例,其較低的氧化還原電位使其在外加氧化電位下轉(zhuǎn)化為自由基和二聚咔唑陽離子,隨后在還原電位下恢復(fù)為中性形式。通過交替施加氧化和還原電位,最終形成多孔電聚合膜。You課題組[3]報道了用于憶阻器的咔唑基多孔有機聚合物薄膜(eCPF)的電化學(xué)制備(圖4),這些薄膜厚度為 10~20nm ,具有較高的完整性和表面光潔度,展現(xiàn)出優(yōu)異的憶阻性能。其中,氰基含量最高的eCPF-2薄膜構(gòu)建的憶阻器表現(xiàn)出最佳性能,開啟電壓低至( 0.60± 0.25)V,開關(guān)電流比高達 104 ,相較于無氰基的器件eCPF-0,提高了近1000倍。此外,基于電化學(xué)聚合薄膜的憶阻器在約700次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定,適用于多種惡劣環(huán)境。這些薄膜具有厚度可控、高穩(wěn)定性和優(yōu)異孔隙率等特點,通過引入咔唑和氰基構(gòu)建了高效的電子轉(zhuǎn)移系統(tǒng),從而使憶阻器表現(xiàn)出卓越的開關(guān)性能、可靠性和可重復(fù)性。
圖3 室溫單相合成COF納米片; (d~g) 通過旋涂技術(shù)獲得的質(zhì)子化COF薄膜;(h)基于COF 的憶阻器圖[35] Fig.3(a—c) Single-phase synthesis of COF nanosheets at room temperature; (d-g) Protonated COF films obtained by spin coating; (h) Memristor diagram based on COF[35]
圖4包含電子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的單體的電化學(xué)聚合、ITO基板上eCPF的生長以及存儲器件的配置和測量圖[36]Fig.4ElectrohmialletioofoorsicdgelectrotrasfersteowthofCFoIOsbstrate,andoatioand measurement of memristor [36]
You課題組[37]進一步設(shè)計了咔唑基單體TCB和TCT,通過電化學(xué)方法在電極表面原位聚合,制備了均勻、完整且厚度可控的電聚合薄膜(eCPF-3和eCPF-4)。這些薄膜具有多孔性和半導(dǎo)體特性,適合用作憶阻器的開關(guān)材料?;趀CPF-3和eCPF-4的憶阻器分別實現(xiàn)了 (0.50±0.25)V 和( 0.65±0.10 V的低開啟電壓,開關(guān)電流比分別高達 102 和 104 以上,同時在保持性、耐久性和數(shù)據(jù)存儲穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色。這些研究展示了電化學(xué)方法在制備高性能憶阻器中的潛力,為多孔有機聚合物薄膜在信息存儲和神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。
Zhang等[38]首次報道了一種基于離子(Azulene)的陰極電聚合薄膜(PPMAz-Py +Br- (圖5)。通過分子勢與氧化還原協(xié)同調(diào)控機制,帶正電荷的吡啶鎓鹽在電場驅(qū)動下定向遷移至陰極,經(jīng)歷還原偶聯(lián)去質(zhì)子化反應(yīng),最終在電極表面形成厚度可控的均勻薄膜。所制備的AI/PPMAz-Py+Br-/ITO器件展現(xiàn)出 1.8×103 的高開關(guān)電流比、優(yōu)異的穩(wěn)定性以及長時記憶特性,并在寬電壓掃描范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的耐久性。此外,該器件實現(xiàn)了多級存儲功能和歷史依賴型憶阻行為,為模擬神經(jīng)突觸可塑性提供了新途徑。
圖5(a)用于陽極電聚合的傳統(tǒng)單體;(b)6,6-biazulene在陽極電極電化學(xué)氧化聚合的示意圖;(c)正電Azulene單體的陰極電聚 合和憶阻器器件的配置示意圖[38] Fig.5(a)Convetioalooersfaodeelectrcalpolezation;(b)Sheaticdagaofelectrohemicaloidatiepoleatiof 6,6-biazuleneatanaodeelectrode;(c)Schematicdagramoftheconfigurationofthecathodicelectricalpoymerzationandmistor device of the positive Azulene monomer[38]
2基于2DOTFs的憶阻器
憶阻器的基本工作機制依賴于阻變介質(zhì)層在電場作用下發(fā)生可控且穩(wěn)定的電導(dǎo)率變化。然而,不同阻變介質(zhì)材料和電極的電導(dǎo)率變化機制存在顯著差異。近年來,基于二維有機薄膜的憶阻器研究揭示了多種憶阻機理,主要包括離子遷移、電荷轉(zhuǎn)移、氧化還原、構(gòu)象轉(zhuǎn)變及多重機制等(表2)。這些機理通過不同的物理化學(xué)過程實現(xiàn)電阻態(tài)的可控切換,為二維有機薄膜憶阻器的性能優(yōu)化和應(yīng)用拓展提供了理論基礎(chǔ)。
2.1基于離子遷移機理
基于離子遷移機制設(shè)計的憶阻器在電場作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng),激發(fā)電子在分子還原和氧化狀態(tài)之間傳輸,從而改變器件導(dǎo)電性。Liu等[3]通過席夫堿縮聚反應(yīng),在空氣-水界面制備了厚度可調(diào)的晶圓級超薄二維聚合物薄膜(2DP)。該薄膜具有共價連接特性,可輕松轉(zhuǎn)移至任何基底上,并表現(xiàn)出多孔、絕緣和柔性等優(yōu)異性能。基于該薄膜開發(fā)的非易失性憶阻器展現(xiàn)出優(yōu)異的雙極電阻開關(guān)行為和良好的重復(fù)性,柔性薄膜在500次彎曲循環(huán)后仍保持性能穩(wěn)定,并可在 400°C 高溫下穩(wěn)定工作,適用于惡劣環(huán)境下的可穿戴電子設(shè)備。
為解決2DP 薄膜的漏電問題,Liu等[40]采用Langmuir-Blodgett(LB)技術(shù),利用具有不同烷氧基鏈長度的對苯二甲醛(TPA)與1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(TAPB)反應(yīng),合成了高度結(jié)晶的超薄 2DP薄膜。疏水性烷氧基鏈不僅提高了薄膜的結(jié)晶度,還有效防止了器件制造過程中的滲透問題?;谠摬牧系钠骷憩F(xiàn)出低變異性(設(shè)定電壓的標準偏差( ?σVset) 為0.04)、高可靠性(324個周期)和低工作電壓 (0.6V) 。此外,器件易于形成均勻的范德華異質(zhì)結(jié),減少了導(dǎo)電絲的隨機形成和斷裂,展現(xiàn)出優(yōu)異的擴展性和可靠性,適合用于小型柔性電子設(shè)備。
表2二維有機薄膜憶阻器的電阻切換機制對比
Table2Comparison of resistance switching mechanisms for 2D organic thin film memristors
在存儲技術(shù)方面,隨著數(shù)據(jù)量的快速增長,多級電導(dǎo)狀態(tài)的存儲器件逐漸成為提高存儲密度和效率的關(guān)鍵。Song等[41]設(shè)計了一種三態(tài)憶阻器(圖6),通過將柱芳烴和二維亞胺聚合物的納米通道結(jié)合,構(gòu)建了多級通道結(jié)構(gòu),顯著提高了存儲性能。該器件具有低閾值電壓 ((0.5±0.1)V/(1.1±0.1)V), 、長保持時間 (6.5×103s) )高阻態(tài)分辨率和優(yōu)異的三元穩(wěn)定性,在500次彎曲測試后仍能保持穩(wěn)定的三態(tài)存儲功能,展現(xiàn)了其在柔性多態(tài)存儲器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
Che 等[42]提出了一種利用PTSA質(zhì)子化修飾OTFs亞胺鍵的策略(圖7),通過這種改性增強了亞胺鍵的電子離域能力,改善了材料的導(dǎo)電性能,并顯著提升了憶阻器的性能。該方法在保持結(jié)晶度的同時,降低了電極注入電子的能壘,優(yōu)化了寫擦除特性和數(shù)據(jù)讀取能力,同時大幅提高了器件的耐久性,實現(xiàn)了目前報道中最高的循環(huán)次數(shù)。該研究為提升OTFs基憶阻器的性能以及D-A型OTFs的應(yīng)用提供了新的思路。
圖7質(zhì)子化過程及其性能測試[42]
Fig.7Protonation processand its performance testing[42]
2.2基于電荷轉(zhuǎn)移機理
電荷轉(zhuǎn)移是憶阻器阻變效應(yīng)的核心機制之一,其本質(zhì)是通過材料內(nèi)部的電荷陷阱實現(xiàn)電阻變化。在外加電場的驅(qū)動下,D-A體系中發(fā)生電荷重新分布,電子從給體向受體遷移,形成電荷再分配狀態(tài),從而增強分子骨架間的電荷載流子傳輸能力,最終導(dǎo)致器件從高阻態(tài)(HRS)向低阻態(tài)(LRS)轉(zhuǎn)變。當施加反向電場時,電荷能夠重新回到給體部分,使D-A體系恢復(fù)初始狀態(tài),因此該過程具有良好的可逆性[43]。
Azulene由貧電子的七元 sp2 碳環(huán)和富電子的五元碳環(huán)組成,因其固有的氧化還原活性而被認為是新型電子器件中極具潛力的結(jié)構(gòu)單元。Zhao 等[44]采用液-液界面聚合策略,利用Azulene構(gòu)建了高性能COF-Azu薄膜,并將其成功應(yīng)用于電子器件和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。COF-Azu薄膜具有較低的開關(guān)電壓( (-0.50V 和 +1.95V )并展現(xiàn)出穩(wěn)定的電阻開關(guān)性能?;陔妶稣T導(dǎo)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng),所制備的AI/COF-Azu/ITO憶阻器表現(xiàn)出典型的非易失性電阻開關(guān)行為。通過構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)進行圖像識別,經(jīng)過8個epoch的訓(xùn)練后,識別準確率達到了 80% ,驗證了其在神經(jīng)形態(tài)計算中的應(yīng)用潛力。
隨著數(shù)據(jù)量的指數(shù)級增長,多級存儲器的需求日益迫切。氟二維聚合物(F-2DP)薄膜因其在調(diào)控有機電子器件電荷傳輸方面的優(yōu)勢,成為理想的研究體系。Liu等[45]通過在骨架上不對稱地引人氟原子,成功調(diào)控了新型含氟2DP薄膜的結(jié)晶度和電荷轉(zhuǎn)移過程(圖8)。通過席夫堿反應(yīng)合成了D-A結(jié)構(gòu)的2DP,并通過逐步電荷捕獲和轉(zhuǎn)移過程實現(xiàn)了多級存儲行為。該器件展示了三級存儲特性,具有低閾值電壓和清晰的電阻狀態(tài)區(qū)分,并在神經(jīng)形態(tài)計算中實現(xiàn)了 86% 的識別準確率,展示了其在類腦計算中的廣闊應(yīng)用前景。
2.3基于氧化還原機理
在外加電場作用下,含有氧化還原活性基團的材料能夠通過電化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)氧化態(tài)與還原態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換。對于2DOTFs而言,其氧化還原特性主要取決于結(jié)構(gòu)中是否包含相應(yīng)的活性單元。從單體設(shè)計的角度來看,剛性結(jié)構(gòu)單元因其穩(wěn)定性優(yōu)勢,通常被優(yōu)先用于構(gòu)建結(jié)晶性有機薄膜。然而,開發(fā)基于柔性結(jié)構(gòu)單元的二維有機薄膜仍具有重要的應(yīng)用潛力。Wu等[46]通過引人柔性三苯胺的構(gòu)建單元,在室溫下通過界面聚合成功制備了大面積扭曲結(jié)構(gòu)的亞胺連接COF薄膜(圖9),這一方法有效解決了COF微晶溶液加工性能差的問題。通過動態(tài)共價化學(xué)調(diào)控熱力學(xué)過程,可以將無定形薄膜轉(zhuǎn)化為結(jié)晶薄膜,并基于AI/TFPA-TAPA/ITO器件實現(xiàn)了憶阻開關(guān)特性。得益于TFPA-TAPA薄膜獨特的氧化還原特性,該仿生憶阻器能夠模擬人類的學(xué)習(xí)和記憶功能。此外,TFPA-TAPA薄膜是首例通過柔性基元構(gòu)建的弱層間堆疊扭曲COF薄膜,為新型功能材料的開發(fā)提供了重要參考。
圖8單體和2DP 薄膜結(jié)構(gòu)以及在高結(jié)晶F-2DP薄膜系統(tǒng)中增強層間堆疊和層內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移以實現(xiàn)高密度存儲的策略[45] Fig.8Monomerand2DPthinfimstructuresandstrategiestoenhanceinterlayerstackingandintralayerchargetransferforig-density storage in highly crystalline F-2DP thin film systems[45]
近年來,盡管2D和3DCOF薄膜的研究在信息存儲和神經(jīng)形態(tài)計算應(yīng)用領(lǐng)域已取得顯著進展[47],但針對一維(ID)COF的探索仍較為有限[48]。IDCOF在電子傳輸、電荷轉(zhuǎn)移和離子導(dǎo)電性等方面可能表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)。Zhou等[49]提出了一種利用1DCOF 薄膜提高憶阻器性能的新方法(圖10)。合成的兩種1DCOF 薄膜具有獨特的結(jié)構(gòu)和電子特性,并表現(xiàn)出典型的非易失性存儲行為。通過在COF-ODA薄膜上引入 TiO2 層,可在 COF-TiO2 界面形成內(nèi)置電場。同時,通過調(diào)控順應(yīng)電流,實現(xiàn)電阻狀態(tài)的可控轉(zhuǎn)換,器件展現(xiàn)出低開啟電壓、高開關(guān)電流比和優(yōu)異的穩(wěn)定性,同時能夠模擬神經(jīng)突觸行為,將其應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)進行圖像識別,識別準確率達到 84.8% 。該研究首次將1DCOFs應(yīng)用于神經(jīng)形態(tài)計算,為高密度存儲和類腦計算提供了新思路。
2.4基于構(gòu)象轉(zhuǎn)變機理
有機憶阻器中的構(gòu)象轉(zhuǎn)變機制是指在電場刺激下,其分子構(gòu)象可從無序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻姆肿优帕?,為載
圖9(a)ITO襯底上薄膜的存儲器件結(jié)構(gòu)和AFM形貌; (b~d) 器件的電流-電壓特性;(e)抗性累積概率圖;(f) 0.1V 恒定電壓下的ON和OFF狀態(tài)電流;(g)3V開關(guān)脈沖下器件的耐久性能;(h)重現(xiàn)性以及開通電壓和關(guān)斷電壓的分布[45]
Fig.9(a)MemristorstrucreandAmopologoftinisoOsubtrates;bd)Currtvoltageharacterstisoftedevce; (e)Resistance accumulation probability plot;(f) ON and OFF state currents at a constant voltage of 0.1V ;(g)Endurance of the device at a 3V switching pulse; (h) Reproducibility and distribution of turn-on and turn-off voltages[45]
圖10 (a~c) 1D 材料的制備過程示意圖;(d)ITO/COF-ODA/TiO2/Ag 阻變存儲器器件的開關(guān)模型示意圖[49]
Fig.10(a—)Schematicdiagraofthepreparationprocessof1Dmaterials; (d)SchmaticdiagramoftheswitchingmodelofIO/COF ODA/TiO2/Ag resistive random-access memristor[49]
流子提供了高效的傳輸通道,從而可以顯著提升電導(dǎo)率。通過對聚合物分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計以及對構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程的調(diào)控,能夠有效改善器件的阻變存儲性能。Song等[50]提出了一種通過調(diào)控有源層材料的構(gòu)象轉(zhuǎn)變程度來可控調(diào)節(jié)器件的阻變行為的策略(圖11)。他們設(shè)計并制備了2,5-雙(3-(9H-咔唑-9-基)丙氧基)對苯二甲醛(TPAK)單體,其中兩個咔唑基團通過柔性間隔基連接到對苯二甲醛的苯基主鏈。接下來,TPAK與TAPB通過席夫堿反應(yīng)合成了二維共價聚合物。在電場作用下,咔唑基團能夠發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變,通過調(diào)節(jié)不同的順應(yīng)電流(ICC),可以精確控制構(gòu)象轉(zhuǎn)變的程度,從而在同一器件中實現(xiàn)低開啟電壓和超薄活性層條件下的三種不同存儲行為。此外,這種基于二維聚合物的存儲器還表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性和熱穩(wěn)定性,使其在可穿戴電子設(shè)備和高溫環(huán)境應(yīng)用中具有廣闊前景。
圖11(a)Ga-In/2DP/ITO器件的原理圖;(b)器件在不同的ON和OFF狀態(tài)下的UV-Vis光譜;(c)提出的構(gòu)象變化記憶機制[50]Fig:11(a)ShematicdgaofG-D/Odevices;(b)UV-Visectraoftedviceindieret“OadOF\"states;(c)Proosdmemory mechanism of conformational change[50]
2.5基于多重機理
光電憶阻器是一種前沿的光電子器件,結(jié)合了光電學(xué)和憶阻效應(yīng)的特性。利用光激發(fā)電子運動產(chǎn)生電流或電壓變化,同時通過憶阻效應(yīng)實現(xiàn)電阻值隨信號的可控變化,模擬了生物神經(jīng)突觸的可塑性,從而完成復(fù)雜計算任務(wù)。
Yang 等[51]通過將二維薄膜材料作為憶阻器的活性層材料,成功克服了傳統(tǒng)有機光晶體管中由玻爾茲曼分布所導(dǎo)致的亞閾值擺幅(SS)限制。通過將COF憶阻器集成到光敏有機場效應(yīng)晶體管(OFET)的源電極位置,器件實現(xiàn)了 18mV/ decade的超低平均亞閾值擺幅(SSave),遠低于傳統(tǒng)OFET的 60mV/AA decade玻爾茲曼極限。此外,單晶體管一憶阻器(1T1R)架構(gòu)顯著提升了器件的光電性能,比傳統(tǒng)有機光電晶體管(OPT)高出4個數(shù)量級。Zhang等[52]通過轉(zhuǎn)移脫氫法成功制備了高結(jié)晶性的苯并咪唑連接銅(II)酞菁基共價有機框架(BICuPc-COFs)薄膜,并利用其優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)特性構(gòu)建了寬帶光譜光電突觸器件(圖 12(a~f) )。這些薄膜具有高達 0.218S/m 的電導(dǎo)率和從可見光到近紅外光的寬帶光吸收能力,因此成為理想的光電突觸材料?;贐ICuPc-COFs薄膜的器件能夠模擬生物突觸的多種行為,包括興奮性突觸后電流(EPSC)、從短時記憶(STP)到長時記憶(LTP)的轉(zhuǎn)變以及成對脈沖促進(PPF)現(xiàn)象。光刺激強度和頻率對突觸權(quán)重的調(diào)制能力進一步證明了其在模擬生物學(xué)習(xí)和記憶過程中的潛力。Zhao等[53]報道了一種在室溫液-液界面聚合條件下合成的光電雙響應(yīng)蒽基二維有機薄膜材料(COF-DaTp)。該薄膜用作光電突觸器件的活性層,其光活性蒽基團在 365nm 和 254nm 紫外光下發(fā)生可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,從而調(diào)控薄膜導(dǎo)電性?;贏I/COF-DaTp/ITO結(jié)構(gòu)的器件展現(xiàn)出雙重光電調(diào)制特性,在光脈沖刺激下實現(xiàn)32種不同的電導(dǎo)態(tài),并在電壓掃描和電脈沖下表現(xiàn)出歷史依賴的憶阻行為。通過構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬,該器件成功實現(xiàn)了對噪聲手寫數(shù)字的去噪與識別,并進一步應(yīng)用于車牌信息的高效準確識別(圖 )。2DOTFs的出色導(dǎo)電性、高光吸收率、機械柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性,進一步提升了光電憶阻器的性能和可靠性。這些特性使其在光學(xué)存儲、光敏傳感以及模擬人類視覺(如人臉識別、手勢控制)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力[54]。
圖12( a~f) BICuPc-COFs薄膜的光電特性(△PSC表示突觸后電流的變化量,PPF表示成對脈沖易化)[52]. Π(g) 光電突觸器件傳感與計算集成示意圖[53] (h,i) 光電突觸裝置進行圖像去噪處理的示意圖[53]
Fig.12(af)toelectrcproertisou-OFsCetesthageinsaticuent,ilePeprtsid pulsefacition)2l; (g)Schematicdiagamofteintegationofsensingandcomputingofpotoeectricsyapticdeves];(,i) Schematic diagram of image denoising by a photoelectric synaptic device[53]
3 總結(jié)與展望
我們主要總結(jié)了2DOTFs的合成方法及其在憶阻器中的應(yīng)用研究進展?;诙S薄膜材料的憶阻器憑借其幾何超薄的結(jié)構(gòu)、低功耗及卓越的電學(xué)性能,為后摩爾時代電子器件的革新開辟了新方向。通過溶劑熱法、界面聚合和電化學(xué)合成等技術(shù),成功實現(xiàn)了高質(zhì)量2DOTFs的可控制備,并在低開啟電壓(低于 0.5V )、高開關(guān)電流比(大于103)、多級存儲(大于4級)和突觸可塑性模擬等方面取得了顯著進展。盡管這些突破為憶阻器的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),其大規(guī)模商業(yè)化仍面臨諸多挑戰(zhàn),如材料設(shè)計中長程有序和界面穩(wěn)定性的不足,制備工藝存在成本高、重現(xiàn)性差,器件性能優(yōu)化方面耐久性與一致性的提升等問題,仍需持續(xù)探索。
為了實現(xiàn)更為優(yōu)異性能的憶阻器,可以從以下幾個方面進行優(yōu)化:(1)2DOTFs需具備優(yōu)異的溶解性,以確保薄膜的均勻性和器件的高質(zhì)量。通過引入親水或疏水官能團,可優(yōu)化材料在常見溶劑中的溶解性能,從而拓展其應(yīng)用范圍。(2)2DOTFs需要具備天然的柔性和可拉伸潛力,通過分子工程可以進一步提升其機械穩(wěn)定性,為可穿戴電子設(shè)備和柔性電路提供新的設(shè)計思路。(3)有機材料在高溫、高濕等惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性問題亟待解決。通過功能單體的選擇或與穩(wěn)定材料的復(fù)合,可顯著提高材料的熱穩(wěn)定性、電學(xué)穩(wěn)定性及環(huán)境耐受性。
總之,基于2DOTFs的憶阻材料在數(shù)據(jù)存儲、神經(jīng)形態(tài)計算及智能傳感領(lǐng)域取得了突破性進展,該材料結(jié)構(gòu)多樣且功能可調(diào),因此在憶阻器領(lǐng)域的應(yīng)用前景愈加廣闊。在未來十年內(nèi),該材料有望實現(xiàn)從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的跨越,為認知計算技術(shù)的發(fā)展注人全新動力。2DOTFs憶阻器的持續(xù)進步不僅推動了電子器件的革新,更為人工智能、圖像識別、光電傳感及可穿戴設(shè)備等前沿領(lǐng)域帶來革命性的變革。
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(責任編輯:王吉晶)