物理所基于石墨烯／氧化物納米結構的多態存儲研究獲進展

　　隨著計算機技術、互聯網以及新型大眾電子產品的高速發展，現有的存儲技術已經不能完全滿足人們對電子信息存儲產品的要求，因此，迫切需要在存儲技術方面取得突破，開發新一代的存儲技術。電阻式隨機存儲器(RRAM)是基于電致電阻效應的一種新型存儲器，因其結構簡單、讀寫速度快、功耗低、可實現多態存儲和 3D集成等優點而引起科學界廣泛的關注，成為開發更小、更快、節能的下一代非易失性存儲器的有力競爭者。典型的RRAM器件為金屬-絕緣體-金屬結構。碳基材料如石墨烯、碳納米管、非晶碳，由于其獨特的電學、力學、光學和其他新奇的物理特性，使其在未來納米電子學器件領域可能有重要的應用前景。近幾年，碳基材料被用來替代金屬電極以開發高密度、高速度、低成本的RRAM器件。

　　中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)的納米物理與器件實驗室張廣宇課題組，利用自制的遠程電感耦合等離子體系統，首次在多種基底(半導體、金屬、絕緣體等表面)上實現了納米石墨烯薄膜的低溫直接生長，研究了薄膜的輸運及光學性能【Nano Research 4, 315, (2011)和Small 8, 1429, (2012)】。最近，該組張廣宇研究員、時東霞研究員、博士生何聰麗等將這種直接生長的納米石墨烯薄膜用于低成本RRAM器件的研究。納米石墨烯作為電極用于RRAM平面結構器件的研究有以下幾個優點：1)易于制備。此方法在SiO2/Si 襯底上直接低溫生長納米石墨烯薄膜，避免了轉移的復雜步驟。2)電阻率可調。該方法生長的納米石墨烯薄膜電阻率可以通過控制生長條件來控制。3)器件加工兼容性。該兩端器件制備過程全是基于現有的標準的曝光與刻蝕技術，與現有CMOS工藝兼容。4)大面積可集成。此方法生長的納米石墨烯薄膜可以均勻的沉積到4英寸的襯底上，在開發大規模、低成本的非易失性存儲器方面具有優勢。

　　研究人員利用標準的微加工技術，將納米石墨烯薄膜加工了兩端器件。制備好的器件首先要經歷一個 Forming過程激活。在此過程中，納米石墨烯薄膜會被電擊穿，并在下方氧化硅層形成30~100nm的納米間隙。激活之后，該兩端器件表現出良好的存儲特性，抗疲勞性>104次，保持時間>105秒，擦寫速度<500納秒。該器件的優勢是可以穩定可控的實現多阻態轉變。通過施加不同的復位電壓，可以得到至少5個電阻態，用來實現多態存儲。傳統的存儲器采用的是二進制數據存儲，每個存儲單元只有“0”和“1”兩種狀態，多態存儲每個存儲單元有多個狀態，在相同存儲單元體積下，存儲容量指數增加。因此，這種納米石墨烯薄膜/氧化物基非易失性存儲器在高密度、高速度、低成本方面具有優勢，并可以用于人工神經網絡和超級計算機的開發。相關研究結果發表在【ACS NANO (2012), DOI: 10.1021/nn300735s】上。

　　這項工作得到了中科院“百人計劃”、國家自然科學基金和“973”項目的支持。

　　文章鏈接：Multilevel Resistive Switching in Planar Graphene/SiO₂ Nanogap Structures

　　圖1：(a) PECVD在SiO2/Si襯底上直接低溫生長的納米石墨烯薄膜的AFM圖，該薄膜表面電阻為20KΩ/□。(b)拉曼光譜表征。(c)Forming過程中電擊穿新制備好的兩端器件的電流-電壓特性曲線。(d)和 (e)為同一器件forming前后的AFM圖，forming之后可以看到明顯的裂痕，形成graphene/SiO2納米間隙結構。(f) Forming之后，graphene/SiO2納米間隙結構的電流-電壓轉變特性曲線。

　　圖2：graphene/SiO2納米間隙結構的存儲特性。(a) 器件在脈沖電壓下的電阻轉變特性，擦寫速度：500ns，脈沖電壓幅度分別為6V、10V。(b)抗疲勞特性>104次。(c)數據保持特性>105秒。

　　圖3：graphene/SiO2納米間隙結構的多態存儲特性。(a)直流掃描下的電流-電壓轉變特性曲線，施加不同復位電壓，得到不同的電阻態。(b)不同脈沖電壓下的多阻態轉變。(c)穩定可重復的多阻態轉變。(d)不同電阻態的數據保持特性。