【Materials Views中國(guó)】有望用于未來彈性可穿戴器件的新型彈性阻變存儲(chǔ)器
電致阻變效應(yīng)的電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器（RRAM）因其具有非易失性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、高密度、快速讀寫等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d存儲(chǔ)技術(shù)之一。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷普及對(duì)可穿戴電子設(shè)備提出了使用更舒適、更適合人體皮膚延展性的要求。這意味著信息存儲(chǔ)器、處理器以及傳感器等電子設(shè)備的核心單元需要不斷向柔彈性方向升級(jí)發(fā)展。因此，RRAM的柔性化和彈性化引起了科學(xué)界越來越多的關(guān)注。深入理解RRAM的機(jī)械和電學(xué)失效機(jī)制，對(duì)于實(shí)現(xiàn)其柔性化集成具有重要的意義。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所李潤(rùn)偉研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)阻變介質(zhì)以及導(dǎo)致電阻發(fā)生變化的納米導(dǎo)電通道在拉伸應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂是造成器件發(fā)生機(jī)械失效的根本原因。采用有機(jī)彈性高分子作為阻變介質(zhì)，其在拉伸情況下分子鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)及其環(huán)境水氧耐受性較差，所制備的阻變存儲(chǔ)器在應(yīng)變下的電學(xué)穩(wěn)定性一般都差。
為了解決這一問題，李潤(rùn)偉研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了采用有機(jī)-無機(jī)雜化的金屬-有機(jī)框架（MOF）材料作為阻變介質(zhì)構(gòu)建RRAM器件，來同時(shí)提高柔性RRAM器件的存儲(chǔ)性能、彈性機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。MOF材料是有機(jī)配體與金屬離子或團(tuán)簇通過配位鍵構(gòu)建的有機(jī)-無機(jī)雜化的晶體框架材料。通過合理選擇有機(jī)和無機(jī)組成單元，MOF材料可通過配位鍵鍵角的改變以及框架結(jié)構(gòu)的規(guī)則變化實(shí)現(xiàn)材料的形變（呼吸效應(yīng)）。這一特性為阻變介質(zhì)的柔彈性化提供了更大的空間。
基于MOF材料的阻變存儲(chǔ)器在應(yīng)變狀態(tài)下的阻變性能
研究團(tuán)隊(duì)首先采用液態(tài)金屬鎵銦錫合金與聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體進(jìn)行復(fù)合，利用液態(tài)金屬在室溫下優(yōu)異的導(dǎo)電能力和流動(dòng)性、以及PDMS良好的形變能力，獲得了在拉伸形變達(dá)到100%的情況下仍能保持導(dǎo)電率基本不變（>1.3×103S/cm，波動(dòng)<5%）的LM-PDMS彈性導(dǎo)電襯底材料。然后，利用改進(jìn)的液相外延法在LM-PDMS彈性導(dǎo)電襯底上制備了具有菱形孔洞結(jié)構(gòu)、大孔隙率以及鍵角可調(diào)特征的柔性金屬-有機(jī)框架MIL-53薄膜（理論最大形變值為17.7%）。通過電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)LM-PDMS導(dǎo)電襯底中的鎵元素發(fā)生離化、注入以及還原，在MIL-53薄膜中形成了Ga成分的納米導(dǎo)電細(xì)絲。由于MIL-53的大孔隙率和鍵角可調(diào)的特征使其菱形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在拉伸情況下可以發(fā)生規(guī)則變化，進(jìn)而減小了應(yīng)變對(duì)局域?qū)щ娡ǖ赖挠绊?。而在MIL-53孔徑中所形成的Ga導(dǎo)電細(xì)絲的柔性特征也可以隨之發(fā)生形變而不斷裂，因此所制備的阻變存儲(chǔ)單元具有良好的機(jī)械和電學(xué)性能。Ag/MIL-53/LM-PDMS在0到10%的動(dòng)態(tài)拉伸形變范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的阻變特性，時(shí)間保持性可超過104s。這一研究結(jié)果對(duì)開發(fā)用于未來彈性可穿戴設(shè)備的彈性阻變存儲(chǔ)器有重要參考意義。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Electronic Materials（DOI：10.1002/aelm.201800655）。
?。ㄔ挠?019年02月20日發(fā)布于Materials Views中國(guó)網(wǎng)站）
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