石墨烯基多阶阻变材料及其超高密度信息存储研究

Graphene-based memory technology is an emerging research area in the current interdisciplinary of carbon electronics and information storage. Based on recent advances and trends in polymer memories and carbon electronics, the proposal demonstrates that a series of nitrogen- and/or sulfur-doped graphene oxide sheets and nitrogen- and/or sulfur-doped graphene oxide quantum dots will be synthesized based on graphene, carbon nanotubes, and their derivatives as the precursors, and then use them to prepare a series of doped graphene oxide thin films and doped graphene oxide-polymer composite films. Finally, graphene-based memory devices with multilevel resistive switching properties are fabricated. After that, the impact of chemical structure and composition of nitrogen- and/or sulfur-doped graphene oxide materials on their energy level, dispersion, resistive switching properties, and thermal stability is studied systematically. Material structure-device structure-memory property relationships are further explored. Moreover, a model of operation mechanism of multilevel resistive switching in graphene-based memory devices will be made based on the analysis of carrier transport in the doped graphene oxide materials and doped graphene oxide-polymer materials under different electrical conductivity. The design and fabrication of multilevel resistive switching in graphene-based materials and memory devices has great significance for the concept renovation and development of ultrahigh density information storage media.

石墨烯基电存储技术是当前碳电子学与信息存储交叉领域的一大新兴研究热点。本项目结合目前聚合物电存储与石墨烯电子的研究现状与发展趋势，提出以氧化石墨烯、碳纳米管及其衍生物为前驱体，合成一系列含氮、硫元素掺杂的氧化石墨烯片与氧化石墨烯量子点材料，进而制备一系列氮\硫掺杂氧化石墨烯-聚合物基复合材料薄膜和纯氮\硫掺杂氧化石墨烯薄膜，构筑具有多阶阻变特性的石墨烯基电存储器件。系统地研究氮\硫掺杂氧化石墨烯材料的化学结构与组份对其能级、分散性、阻变特性、热稳定性的影响，探索材料结构-器件结构-存储性能三者之间的关系，分析氮\硫掺杂氧化石墨烯材料与氮\硫掺杂氧化石墨烯-聚合物复合材料在不同导电态时的载流子传输过程，进而建立一套适用于石墨烯基电存储器件实现多阶阻变的作用机制模型。这种石墨烯基多阶阻变材料及其电存储器件的设计与制备对于推动超高密度信息存储媒介的理念革新与发展有重要意义。

石墨烯基电存储技术是当前碳电子学与信息存储交叉领域的一大新兴研究热点。本项目结合目前聚合物电存储与石墨烯电子的研究现状与发展趋势，在电子材料合成方面，创新性提出了以绿色植物、氧化石墨烯及其衍生物为前驱体，通过水热法合成一系列含氮元素掺杂的碳量子点与碳纳米片材料，实现了碳电子材料的绿色环保、宏量制备与性能可控；此外，通过改进多元醇法获得了超细银纳米线导电材料，产品质量达到国际顶级同类技术标准，重要的是它还具有高产率、低成本的突出优势。在导电薄膜方面，首次采用预拉伸与直接固化相结合方法获得了柔性超延展导电薄膜，该方法具有普适性，适合于基于一维导电材料导电薄膜的制备；在存储器件方面，获得了系列具有存储功能的新型碳基存储器，重点实现了首例基于全碳纤维的可编织信息存储器，这对于实现具有信息存储功能的可穿戴电子提供了有益借鉴；面向后摩尔时代存储器的发展方向，创新性构筑了全球首例具有非易失性与易失性混合三阶透明存储器，它具有全溶液、全碳化的显著特征，同时也分析了不同导电态时的载流子传输过程，揭示了石墨烯基电存储器件实现多阶阻变的作用机制；面向数据存储安全方向，设计实现了具有可溶解特征的柔性动态随机电存储器，预期可以实现数据的彻底销毁，达到数据存储的安全目的。这些成果的获得极大促进了碳电子材料与器件的发展与实用化进程，推动了信息存储技术的理念革新，丰富了半导体材料与器件的理论。