王中林院士团队《Nano Energy》：一种新型非易失性存储器！

编辑推荐：本文报道了一种新颖的二硫化钼非易失性存储器，它结合纳米石墨烯作为浮栅，在不施加额外栅电压的情况下，通过机械和光学激励实现多级存储状态触发。该器件为未来集传感和存储于一体的人机交互系统的发展开辟了一条新的途径。

考虑到对器件小型化和结构灵活性的新要求，原子薄二维(2D)材料由于其在未来电子学和光电子学中的独特和巨大潜力而引起了众多兴趣。在各种2D材料中，单层二硫化钼(MoS2)是一种典型的具有S-Mo-S三明治结构的过渡金属二硫化钼(TMD)，已被研究用于存储应用。以往的研究报道了在金纳米粒子、石墨烯等介质中存储电荷的MoS2光存储器。然而，正栅极电压对于完全擦除存储数据是不可避免的。因此，为了摆脱栅极电压的限制，可以使用摩擦电子晶体管将机械运动转换成电信号。另外，为了提高器件的存储容量，必须选择合适的高电荷可调的浮栅，为多电平状态提供优异的读取电流。

中国科学院外籍院士王中林教授领导的团队，提出了一种新颖的多位MoS2存储器，它可以在不施加额外栅极电压的情况下存储光学和机械激励信息。相关论文以题为“Mechanoplastic tribotronic two-dimensional multibit nonvolatileoptoelectronic memory”发表在Nano Energy上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105692

研究结果表明，这些存储器件在不施加外部栅极电压的情况下对存储光电信号非常敏感。在编程过程中，TENG的机械运动和入射光都可以通过从NG层到MoS2沟道的隧穿电子来调节存储状态。相反，TENG的反向运动可以实现将电子隧穿回电荷俘获层，导致数据完全擦除。高编程/擦除比>10⁷。此外，该器件的循环耐久性时间超过10⁵s，和可重复的多位编程/擦除状态（超过200个循环）。考虑到二维材料优良的柔性和晶圆尺寸特性，柔性衬底上集成的MoS2存储矩阵在应变大于1%的情况下仍能保持器件的稳定性，并具有记录图形光照的高空间分布。所展示的NG/MoS2多功能存储器为图像采集、机密信息记录和机械擦除提供了一条低能耗的新途径。

图1a示出了单层二硫化钼摩擦电子双栅存储器的示意图，其中以纳米晶体作为电荷俘获层。图1a中的插图显示了通道长度和宽度分别约为50微米和20微米的器件的光学显微镜图像。

图1 机械塑性摩擦电子MoS2非易失性存储器示意图。

研究人员在真空中测量了这些器件的电气性能，以避免吸附的额外影响。首次制作了无浮栅的二硫化钼晶体管作为对照样品。n型沟道器件的电压转移特性为100毫伏到500毫伏，迁移率计算值分别大约为54.3 cm²/Vs和开启关闭率为10⁷。以NG为浮栅的器件显示出较大的迟滞，VG从-80V扫描至80 V，然后返回至-80 V，如图2a所示。此外，具有浮栅的器件的长保持时间(> 1000秒)，这也证实了非离子电荷俘获层的高存储性能。

图2 通过耦合TENG调节二硫化钼存储特性。

除了机械激励之外，大的开关比与光致电荷俘获相结合，使得NG/MoS2存储器件能够在光照射下作为多位光电存储器工作。为了研究非易失性光电存储特性，研究人员首先测量了一个典型器件在532纳米激光脉冲照射(功率从0到5毫瓦)后的光致转移特性，如图3a所示。每条曲线都是在不同功率的激光开启1秒钟后在黑暗环境中测量的，黑线表示初始暗电流。根据图3a的结果，在图3b中绘制了VG=0 V时的光电流（I_ph）和入射激光功率（P_L）之间的关系。值得注意的是，提供更多光子吸收的较高激光功率有助于产生较大的光电流。

图3 通过光学和机械激励调节的二硫化钼光电子记忆特性。

研究人员在柔性衬底上制作了纳米二氧化硅/二氧化硅存储阵列，以演示柔性存储器件的应用。10×10器件阵列制作在面积约1×1cm²内，每个器件之间用约500 μm的间隙隔开。图4a显示了在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的器件示意图，该器件由两个Al2O3层组成，分别为30 nm和10 nm的阻挡层和隧道层。图4(b)显示了各种储存状态对应变的依赖关系。即使在应变大于1%的情况下，该器件也具有足够稳定的存储特性，这为未来多功能柔性电子器件的应用提供了可能。

图4 柔性衬底上集成多功能MoS2存储器件。

综上所述，研究人员制备了一种多位非易失性摩擦学光电双门存储器，该存储器基于单层MoS2，以NG为电荷俘获层。该器件具备的灵活性使可穿戴存储器在图像捕获和记录方面的集成设备成为可能，这为下一代可穿戴医疗系统和人机交互铺平了道路。（文：8 Mile）