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溶液加工的HOFs薄膜用于高性能忆阻器

日期：2023-08-18 09:40:25 来源：网络整理作者：本站编辑评论：0

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研究背景

电阻式随机存储器(RRAM)具有典型的金属-绝缘体-金属器件结构，是一种极具潜力的现代电子元件，可用于信息存储和大脑启发的神经形态计算内存应用。RRAM 技术的发展关键取决于具有理想特性的创新电阻开关材料的开发。在这方面，人们对利用有序柔性微孔材料(如金属有机框架 (MOF)和共价有机架 (COF))作为电阻式存储器件的活性层越来越感兴趣。这些多孔材料的周期性结构和可调节的孔隙环境造就了它们卓越的电阻开关性能。然而，它们的不溶解性和不可加工性导致它们与基于溶液的薄膜制造方法不兼容，这种固有的局限性阻碍了它们形成高质量薄膜的能力，并导致制造成本上升。尽管最近在合成用于忆阻器应用的 MOFs/COFs 方面取得了进展，但挑战依然存在，包括相对较高的表面粗糙度和薄膜内有限的晶粒接触，这些都严重影响了传输特性。因此，开发基于创新电子器件的新兴应用迫切需要使用可溶液加工的薄膜，通过更精确地控制薄膜形态和增强颗粒接触来提高电子传输效率。

氢键有机框架(HOFs)是一类引人入胜的结晶纳米多孔材料，可通过非共价相互作用(如氢键相互作用、π–π 堆积和静电作用)自组装。HOFs 在保持其结晶纳米多孔结构的同时，与其他框架材料相比还具有一些引人入胜的优势，包括成本低、易于提纯、可通过简单的重结晶进行修复。HOF通常因其在气体分离、催化、和储能方面的应用而备受关注。相比之下，HOFS 在电子设备应用方面的独特潜力仍处于早期阶段，需要进一步探索。区别于其他晶体纳米多孔材料，HOFs 具有溶液可加工性和灵活性等独特优势，从而为先进电子设备中下一代薄膜材料的开发开辟了新途径。要充分挖掘 HOFs 作为电阻开关层的潜力，关键是要实现 HOFs 纳米薄膜的可控合成，并在纳米尺度上精确控制厚度、表面粗糙度、层取向和晶粒尺寸。

研究成果

由于氢键有机框架(HOFs) 具有高结晶性、内在多孔性和易再生性，因此将其集成到电子设备中大有可为。然而，尽管 HOFs 具有潜力，但其在电子设备中的应用在很大程度上仍未得到开发，这主要是由于制造高质量薄膜所面临的挑战。在此，福建物质结构研究所曹荣研究员团队采用溶液加工方法实现了表面光滑、结晶度好、取向度高的 HOFS 纳米薄膜的可控合成。制备的忆阻器具有出色的双极开关性能，设定电压低至 0.86 V，保持时间长达 1.64x10⁴s工作耐久性达 60个周期。此外，这些坚固耐用的忆阳器还表现出卓越的热稳定性即使在高达 200℃的高温下也能保持性能。更引人注目的是，划伤的 HOFS 膜可以通过简单的溶剂漂洗过程轻松再生，从而可以重复用于制造新的忆阻器，这是传统电阻开关材料难以实现的。此外，利用导电原子力显微镜和扫描透射电子显微镜进行的研究揭示了一种基于导电丝的可逆形成和湮灭的开关机制。这项工作提供了新颖而宝贵的见解，对推动HOFs作为有源层在电子设备中的广泛应用具有重要影响。相关研究以“Solution-Processed Hydrogen-Bonded Organic Framework Nanofilms for High-Performance Resistive Memory Devices”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Solution-processed fabrication of HOFs thin films and the photographic image of

typical Ag/PFC-73/ITO resistance memory device.

Figure 2. Characterization of the PFC-73 thin film.

Figure 3. Resistive switching characteristic of the PFC-73-based resistance memory

device.

Figure 4. The thermal durability and repairability of the PFC-73 based memory device.

Figure 5. Mechanism studies of the Ag/PFC-73/ITO resistive memory devices.

总结与展望

总之，本研究首次提出了一种经济有效的溶液加工方法，用于可控地制造表面光滑、结晶度好、取向度高的高质量 HOFs 薄膜通过将制备的 PFC-73 纳米薄膜用作忆阻器的有源层我们成功地实现了具有高度均匀和无电铸特征的优异电阻开关行为。这种忆阻器具有 0.86 V 的低设定电压、1.64 x 10⁴ s 的出色保持时间和 60个周期的工作耐久性。此外，受损的HOFs 薄膜可以通过简单的溶剂漂洗过程轻松再生，从而可以在制造新的忆阻器时重复使用这种再生能力可归因于 HOFs 内部氢键连接的可逆性和灵活性，凸显了基于 HOF 的材料在实际应用中的稳健性和适应性。此外，利用导电原子力显微镜和扫描透射电子显微镜进行的研究深入了解了基于导电丝形成的开关机制。这项工作标志着将 HOFS 作为有源层集成到电子器件中取得了重大进展。HOF 的低成本溶液加工性、可调性能和易再生性等优势使其成为高性能电子器件中各种应用的理想候选材料。

文献链接

Solution-Processed Hydrogen-Bonded Organic Framework Nanofilms for High-Performance Resistive Memory Devices

https://doi.org/10.1002/adma.202305344

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