石墨烯/金属有机框架异质结低功耗阻变存储器件研究

Resistive switching memory attracted numerous attention for its advantages of high storage density, fast operation speed, and long retention time. However, the high power and unclear resistive switching mechanism are the critical issues which restrict its development. This project proposes a study on the low-power resistive switching memory based on graphene/metal-organic framework (MOF) heterostructure. The main contents include: the liquid-phase growth of MOF thin film on graphene, and the elucidation of growth mechanism; the fabrication of resistive switching memory based on graphene/MOF heterojunction, the optimization of the heterojunction interface, and the physical mechanism of low-power resistive switching; the fabrication of flexible crosspoint resistive switching memory device based on graphene/MOF heterostructure, and the systematic study on device performance. MOF consists of inorganic metal ions and organic ligands, with various combinations, stable structure, and good flexibility; the semiconductor contact between conductive filament and graphene at graphene/MOF interface is beneficial to realize low-power consumption, showing important theoretical and practical significance for the high performance resistive switching memory.

阻变存储器由于存储密度高、读写速度快、数据保持时间长等优势得到众多研究关注。然而器件的操作功耗高、阻变机理不明确是制约其发展的关键问题。本项目提出基于石墨烯/金属有机框架异质结低功耗阻变存储器件研究。主要内容包括：石墨烯基液相可控生长金属有机框架薄膜，阐明石墨烯/金属有机框架异质结生长机理；制备石墨烯/金属有机框架异质结阻变存储器件，优化异质结界面，揭示器件低功耗阻变物理机制；制备石墨烯/金属有机框架异质结低功耗点阵柔性存储器件，系统研究器件性能。金属有机框架由无机金属离子和有机配体两部分构成，组合多样、结构稳定、柔韧性好；石墨烯/金属框架异质结器件导电细丝与石墨烯的半导体接触有利于实现低功耗，对于高性能阻变存储器的科技发展具有重要理论和现实意义。

金属有机框架材料用有机分子链形成框架结构在顶端置金属离子，有机无机相结合。根据不同组合的材料具有不同的物理特性，在光电器件中引起了广泛的关注。然而，基于金属有机框架材料做光电器件的瓶颈在于，材料本身具有三维结构，不能形成平整的薄膜，因此阻碍了其在光电领域的发展。具体地，在于材料的不连续和与基底的弱界面接触。针对这些问题，本项目采用界面缓冲层设计优化材料与基底的界面接触，采用体相孔隙填充和界面结晶点增强优化薄膜的连续性，获得了连续性平整性改善的金属有机框架材料，与衬底接触的一般性方法，可广泛用于有机无机材料面向器件的制备工艺。本项目研究界面修饰衬底，增强界面接触和活性位点。研究体相改性增强了金属有机框架薄膜的连续性。与没有界面修饰和体相改性的样品相比，优化的阻变存储器具有较低的开启电压，更多的循环周期，更持久的阻态保留时间。通过导电模型分析了电阻开关行为的机理，并通过顶部活性电极在电场下形成/破裂导电丝的氧化还原反应来解释。本研究提出了一种合成与基底强接触和连续薄膜的通用技术，有利于电子器件。