Nano Res.[器件]│湘潭大学唐明华教授团队与中国科学院宁波材料所朱小健研究员团队合作,突破高性能柔性自整流忆阻器阵列技术

文摘   2024-12-12 16:00   北京  


背景介绍


随着柔性电子技术的蓬勃发展,对能够适应形变条件的高性能电子器件的需求日益迫切。氧化铪基自整流忆阻器作为一种具有独特性能的存算一体器件,在集成电路领域已展现出良好的应用潜力。然而,传统的自整流忆阻器阵列往往受限于刚性基底,难以适应弯曲、折叠等复杂形变条件,在很大程度上限制了其在柔性电子领域的应用。为此,湘潭大学唐明华教授/燕少安副教授团队携手中科院宁波材料所朱小健研究员团队,共同开展了高性能柔性自整流忆阻器阵列的研发工作。


成果简介


研究团队在柔性聚酰亚胺 (PI) 衬底上成功制备了一个高性能的16×16 Pt/HfO2/Ta2O5-x/Ti忆阻器阵列。该阵列在弯曲条件下 (R=1.0 cm) 表现出优异的自整流阻变特性,具有高整流比 (>104@±3 V) 、高保持性 (>104 s@3 V,125 ℃) 、高耐久性 (>105 次循环) 、高均匀性、高良率的特点。该忆阻器阵列在图像滤波和柔性传感器阵列输出信号的实时滤噪与存储方面具有巨大应用潜力。


图文导读


研究团队通过CMOS制备工艺,采用三步光刻技术确保了图案的精准转移,利用两步电子束蒸发镀膜技术和磁控溅射技术制备出均匀性极佳的金属电极和氧化物薄膜,在柔性聚酰亚胺衬底上集成了高性能的自整流忆阻器阵列。通过多种形貌表征手段揭示了器件的微观结构和形貌特征,验证了器件良好的集成效果。通过详细的性能表征和机理分析,揭示了该阵列的整流效应主要由Pt/HfO2界面形成的肖特基势垒引起,为阵列的性能优化提供了一定的理论依据。该阵列不仅具备理想的规模扩展能力,最高可达510 kb,还展现出优秀的突触功能,为神经形态计算领域的发展提供了有力的实验支撑。
研究团队采用一个16×16的柔性忆阻器阵列进行了实际应用验证。该阵列在弯曲条件下仍能保持良好的性能,不仅成功应用于图像滤波,实现了对图像的有效处理,而且在弯曲状态下还能实时滤噪并存储柔性压力传感器阵列的输出信号,展现出在存算一体领域的巨大应用潜力。这一成果不仅验证了柔性自整流忆阻器阵列的实用性和可靠性,更为其在智能电子皮肤和可穿戴技术等柔性电子领域的应用提供了有力支撑。

高性能柔性Pt/HfO2/Ta2O5-x/Ti自整流忆阻器阵列及其滤噪、存储功能


作者简介


唐明华湘潭大学二级教授,博士生导师。研究方向为先进信息材料及低功耗高密度存储器(铁电/阻变存储器)、硅漂移探测器、类脑计算与感存算一体芯片技术等。湖南省普通高校学科带头人(微电子学与固体电子学),清华大学、日本东京工业大学、新加坡南洋理工大学访问学者。IEEE、中国电子学会、中国材料学会高级会员,Nature Electronics、Advanced Materials、Nature Communications、IEEE Electron Device Letters等27种国际期刊审稿人。主持科技部国家重点研发计划“基础科研条件与重大科学仪器设备开发”重点专项、国家自然科学基金“后摩尔时代新器件基础研究”重大研究计划培育项目/区域创新发展联合基金重点项目/面上项目/国际交流合作项目、国家国防科工局技术基础科研计划项目等科研项目。在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、IEEE Journal of Solid-State Circuits、The IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems、IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems、IEEE Electron Device Letters、Pattern Recognition、IEEE Transactions on Nuclear Science等国内外著名刊物上发表SCI收录论文200余篇。获授权国家发明专利20项、集成电路布图设计著作权1项、日本发明专利1项。获湖南省自然科学奖一等奖/二等奖、国家级高等教育教学成果奖二等奖,湖南省高等教育教学成果奖一等奖/二等奖及中国船舶集团有限公司科技进步一等奖等科技成果奖励。

朱小健中国科学院宁波材料所研究员,博士生导师。博士毕业于中国科学院大学,曾在美国密歇根大学从事博士后研究工作,2020年加入宁波材料所,现任材料技术所副所长。入选国家级人才计划。主要从事新型信息存储材料与器件设计研究,在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano等国际知名期刊发表SCI论文50余篇,申请发明专利10余项。主持国家自然科学基金重大研究计划项目、面上项目,参与国家重点研发计划项目等。曾中国科学院院长优秀奖、中国科学院/中国电子学会优博论文奖、浙江省自然科学一等奖和中国电子学会科学技术二等奖。其研究成果受到Science Daily等国际科技媒体报道,长期担任Nature Communications等杂志审稿人。


文章信息


He S, Ye X, Zhu X, et al. High-performance self-rectifying memristor array based on Pt/HfO2/Ta2O5-x/Ti structure for flexible electronics. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907085

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