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憶阻器，是一種基於“記憶”外加電壓或電流歷史而動態改變其內部電阻狀態的電阻開關。由於擁有超小的尺寸，極快的擦寫速度，超高的擦寫壽命，多阻態開關特性和良好的CMOS相容性，憶阻器被業內視為可應用在未來儲存和類腦計算（神經形態計算）技術的重要候選者。然而，基於傳統氧化物材料的憶阻器在高溫和承受壓力等惡劣環境下，會出現器件的失效，遠遠無法滿足航空航天、軍事、石油和天然氣勘探等應用中對於電子元件耐熱性的需求。因此，尋找新材料和新結構來提升憶阻器在惡劣環境下工作的可靠性成為憶阻器研究的一個重要挑戰。

南京大學物理學院繆峰教授課題組近年來圍繞二維材料電子器件應用開展了系統的工作，在包括場效應電子器件、紅外光電探測器件等領域已取得一系列成果。目前，他們和科研合作團隊利用二維層狀硫氧化鉬（氧化二硫化鉬）以及石墨烯構成三明治結構的範德華異質結，在世界上首次實現了基於全二維材料的、可耐受超高溫和強應力的高魯棒性（robust）阻器，為推動憶阻器在高溫電子器件和相關技術領域的應用邁出重要一步。

這項工作選取了硫氧化鉬（氧化二硫化鉬）和石墨烯分別作為憶阻器的介質層和電極材料，製備了三明治結構的異質結。團隊首先利用機械剝離法得到二硫化鉬和石墨烯薄膜樣品，將二硫化鉬薄膜加熱氧化後得到硫氧化鉬。接著利用二維材料定向轉移的工藝，將石墨烯、硫氧化鉬、石墨烯堆疊在一起形成具有原子級平整度介面的範德華異質結（圖a），如此高質量的介面是基於傳統氧化物材料的憶阻器所無法實現的。測試結果顯示這種基於全二維材料的異質結能夠實現非常穩定的開關：可擦寫次數超過千萬次（107，圖b），擦寫速度小於100 ns，並且擁有很好的非揮發性。團隊發現該結構的憶阻器能夠在高達340℃的溫度下穩定工作並且保持良好的開關效能（圖c，圖d），創下了憶阻器工作溫度的新記錄（此前發表的最高記錄為200℃）。團隊利用透射電子顯微鏡進行原位觀察，發現該憶阻器的耐熱性來源於硫氧化鉬超高的熱穩定性，並進一步清楚地揭示了該憶阻器中基於氧離子遷移的工作機制。結果顯示，該憶阻器中的導電通道在開關過程中一直被具有超高熱穩定性的單晶石墨烯和層狀硫氧化鉬很好地保護著，保證了導電通道在高溫擦寫過程中的穩定性。最後，團隊將該憶阻器置於柔性襯底聚醯亞胺上，發現器件在大於0。6%的形變應力下伸曲1200次之後同樣能夠穩定地工作。

2018年2月5日，該工作以《基於層狀二維材料的高魯棒性憶阻器》（Robust memristors based on layered two-dimensional materials）為題發表在《自然·電子學》雜誌上（Nature Electronics DOI：10。1038/s41928-018-0021-4），南京大學物理學院博士生王淼和現代工程與應用科學學院博士生蔡嵩驊為論文的共同第一作者，繆峰教授、現代工程與應用科學學院的王鵬教授和美國馬薩諸塞大學的楊建華教授為該論文的共同通訊作者。這項研究工作不僅展示了二維層狀材料異質結構在憶阻器領域中的巨大應用前景，對未來極端環境下電子元件的設計與研究有著重要的指導意義；同時也指出，因為二維材料異質結構可以結合不同二維材料的優異性質，也給人們提供了一種解決其它領域電子器件技術挑戰的可能的通用途徑。

該項研究得到微結構科學與技術協同創新中心的支援，以及國家傑出青年科學基金、科技部“量子調控”國家重大科學研究計劃（青年科學家專題）專案、江蘇省傑出青年基金、國家自然科學基金等專案的資助。

《自然·電子學》官網截圖與基於二維材料的耐高溫憶阻器：（a）器件結構示意圖；（b）器件在脈衝電壓操作下次的穩定開關表現；（c）器件在20~340℃溫度範圍內的開關曲線；（d）器件分別在100℃、200℃和300℃高溫下的1000次穩定開關表現。

以下附

知社獨家訪談

內容。

知社：

請問在該工作進行過程中您遇到最大的困難是什麼呢？是如何克服的？

該工作進行過程中，我們遇到的困難主要有兩點：

一、 憶阻器是一種三明治結構的器件，雖然製備起來和堆樂高積木很類似，但是其內部材料原子尺度細微的結構差別都會顯著影響到器件的效能，因此最佳化器件的製備工藝是我們首先面臨的一大挑戰。為了克服這個困難，我們一方面開發出了一種高精度的二維材料轉移工藝，有效避免了水和空氣等對器件結構的影響，從而保證了異質結原子級精度的介面；另一方面，我們以二硫化鉬中氧的摻雜比例為變數，製備了上百個對照實驗樣品，最終確定了二硫化鉬中氧摻雜的最優含量。

二、 在實現了高質量器件後，怎樣解釋其耐熱性和微觀工作機制也是一個有挑戰性的問題。為了克服這個困難，我們與南京大學電鏡表徵技術方面的專家王鵬教授課題組合作，利用他們先進的表徵平臺，得到了高溫下的材料表徵資料、以及器件導電通道的原位觀察影象。在此基礎上，最終對二維材料憶阻器的耐熱性和工作機制有了一個全面的理解。

知社：

能不能通俗地闡述一下該成果的應用前景呢？

在我們的日常生活中，手機和電腦等電子產品中運算和儲存元件的工作溫度均不能超過125℃，一旦超過了此溫度這些傳統的運算和儲存元件就會出現計算結果出錯和資料丟失的狀況，因此我們的電腦和手機都會有高溫保護——溫度過高時自動關機。而在航天航空、軍事、地質勘探和石油天然氣鑽井等行業中，電子元件需要面臨更加極端的溫度環境，它們被要求能夠在300℃以上的高溫下穩定工作。在這些行業中，工程師們往往依賴於冷卻系統來為電子元件進行降溫，但是額外配置的冷卻系統會很大程度上增加成本和能耗，降低系統的可靠性。我們開發出的二維材料憶阻器，不但擁有能夠和一些傳統儲存元件相媲美的效能，而且有很好的耐熱性，創紀錄的340℃工作溫度遠高於傳統電子元件。將該項技術應用於手機和電腦等消費電子產品中，可以讓使用者不用擔心過熱的問題；應用於極端環境的行業中，也能夠讓工程器械擺脫對冷卻系統的依賴。

Robust memristors based on layered two-dimensional materials

Miao Wang， Songhua Cai， Chen Pan， Chenyu Wang， Xiaojuan Lian， Ye Zhuo， Kang Xu， Tianjun Cao， Xiaoqing Pan， Baigeng Wang， Shi-Jun Liang， J。 Joshua Yang， Peng Wang & Feng Miao

Van der Waals heterostructures are formed by stacking layers of different two-dimensional materials and offer the possibility to design new materials with atomic-level precision。 By combining the valuable properties of different 2D systems， such heterostructures could potentially be used to address existing challenges in the development of electronic devices， particularly those that require vertical multi-layered structures。 Here we show that robust memristors with good thermal stability， which is lacking in traditional memristors， can be created from a van der Waals heterostructure composed of graphene/MoS2-xOx/graphene。 The devices exhibit excellent switching performance with an endurance of up to 107 and a high operating temperature of up to 340 °C。 With the help of in situ electron microscopy， we show that the thermal stability is due to the MoS2-xOx switching layer， as well as the graphene electrodes and the atomically sharp interface between the electrodes and the switching layer。 We also show that the devices have a well-defined conduction channel and a switching mechanism that is based on the migration of oxygen ions。 Finally， we demonstrate that the memristor devices can be fabricated on a polyimide substrate and exhibit good endurance against over 1000 bending cycles， illustrating their potential for flexible electronic applications。

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