中科院《ACS AMI》：室温下利用溶液处理制备柔性RRAM器件！

编辑推荐：本文在室温下用172纳米的真空紫外辐射无机聚合物全水解硅氮烷，制备无定形且均匀的二氧化硅活性层。相应的柔性电阻随机存取存储器(RRAM)表现出典型的双极电阻开关，具有无成形行为和优异的柔韧性。这在智能可穿戴电子设备中有广阔的应用前景。

由于柔性电阻随机存取存储器(RRAM)器件具有高存储密度、低功耗和优于传统晶体管存储器的开关速度等优点，对人性化、轻量级和智能可穿戴电子设备的快速增长的需求引起了人们的极大兴趣。因此，人们非常关注柔性电阻随机存取存储器的制备。在各种制备方法中，溶液法在易于实施、成本效益和对不同底物的适应性方面显示出优越性。然而，在灵活阵列管理的解决过程中仍然存在一些关键的挑战。考虑到材料的采用，特别是精心设计的有机材料，新兴的钙钛矿和二维材料已经得到了较多的研究，但环境稳定性不是很理想或商业化产品的缺乏限制了它们的进一步发展。虽然后来又研究者提出了其他的材料来克服这一问题，但是在这些器件制备过程中还需要经过高温处理，而这则会降低RRAM的灵活性。

近日，中国科学院化学研究所的张宗波副研究员团队，提出了用全氢化硅氮烷（PHPS）溶液在聚酰亚胺薄膜上制作硅基柔性阵列的研究方法。相关论文以题为“Room-Temperature, Solution-Processed SiOx via Photochemistry Approach for Highly Flexible Resistive Switching Memory”发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c16556

研究发现，通过在室温下，在波长为172纳米的真空紫外线（VUV）照射SiOx聚合物前体全氢化硅烷化氮烷，获得具有高均匀性的无定形二氧化硅薄膜。器件在349个DC开关周期内表现出可靠的双极电阻开关行为，电阻状态在室温和85℃下稳定超过10000秒。更重要的是该器件表现出显著的灵活性，最小弯曲半径低至0.5mm，并在弯曲条件下保持其性能。该工作为制备柔性二氧化硅基RRAM提供了一种方便的方法，其条件要求低，工艺简单，适合大面积制备。

此前有报道称，Si−N可以被波长低于220纳米的紫外线解离。在这里，研究人员采用波长为172纳米的VUV将PHPS转换为二氧化硅。在高功率紫外光子的照射下，Si−N解离，产生的硅自由基与环境大气中的氧反应形成硅氧硅键，同时释放出NH3和H2（如图1）。在紫外线照射过程中，大部分氮和氢元素被氧原子取代，导致所得二氧化硅层的质量增加。因此，与基于烷氧基硅烷的溶胶-凝胶工艺不同，这里制备的二氧化硅层具有低的体积收缩和致密的结构。

图1 Ag/SiOx/Au/PI器件的制备和紫外线照射下PHPS向氧化硅转化的示意图。

图2 （a）Ag/SiOx/Au/PI器件半对数图中的伏安特性。(b)在室温和85℃下，在0.1伏的读取电压下，Ag/SiOx/Au/PI器件的电阻抗和电阻抗保持率；(c)在0.06伏下，Ag/SiOx/Au/PI器件的耐久性读取性能；(d) 对应于(c)中的R_HRS和R_LRS累积概率图。

图3 （a）TEM图像显示Ag原子迁移到SiOx层中。Ag/SiOx/Au器件在(b)基本状态，(c)HRS和(d) LRS的C-AFM图像。(e)中“负置”现象和(f)中正偏置下复位的异常伏安曲线。（g）演示了解释异常转变起源的双组分灯丝模型的示意图；(g)中标记的数字对应于(e)和(f)中的数字。

图4  Ag/SiOx/Au/PI器件的灵活性。(a)HRS和LRS阻抗与向外弯曲半径之间的函数关系。插图显示了制造的存储器件的图片。（b）向外弯曲条件下器件的保持特性(R = 2.5mm)。在(c)向外方向(R= 2.5mm)和(d)向内方向(R = 2.3mm)上，阻抗随弯曲半径大小的变化关系。(c)和(d)中的插图显示了样品的拉伸和压缩弯曲状态。

总的来说，研究人员利用室温溶液法，通过光化学方法制备柔性RRAMs的二氧化硅层。该工作为制备柔性二氧化硅基RRAM提供了一种方便的方法，其条件温和，工艺简单，适合大面积制备。（文：8 Mile）