多进制二维光电存储器

二维原子层材料由于具有独特的电子以及光电性质，在最近几年被广泛的研究。二维原子层结构可以使其免于短沟道效应，并且其机械硬度和结构平展性可以使其整合入柔性和可穿戴电子设备中。二维材料的光电探测器已经被广泛报道，但是其非挥发性光电存储器被研究的还较少。二维CuIn₇Se₁₁ 被最先用于光电存储器中，然而其存储时间只有50 s，并且开关比率小于10。单层的MoS₂也被用于光电存储器中，其表现出优异的存储时长，接近10⁴ s。但是，其开关比率只有4700，限制了其存储容量。除了单个二维材料，二维材料的异质结也被用于光电存储器中。垂直异质结graphene/MoS₂表现出光电存储性能，然而其开关比率也只有接近2。

近日，新加坡国立大学的陈伟教授（点击查看介绍）和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘雷教授（点击查看介绍）合作报道了通过WSe₂和BN的异质结，可以实现非挥发性多进制的光电存储器。通过调节器件的栅极电压，存储器的开关比率可以达到1.1x10⁶。其优异的开关比率保证了130个可区分的存储态，存储进制数达到7。WSe₂/BN 光电存储器表现出强劲的非挥发性，当测试时间达到4.5x10⁴ s时，其存储态仍然几乎保持原来的存储电流。WSe₂/BN 光电存储器也可以被任意的编程和擦除，器件通过了200次编程/擦除，发现存储器仍然可以保持原有的状态。WSe₂/BN光电存储器对不同波长的光存储效率不同，说明其对光波长的分辨能力。作者也通过生长的大面积CVD WSe₂ 实现了阵列的WSe₂/BN 像素点记录三原色（红、绿、蓝）。通过选择性的曝光这些像素点，WSe₂/BN阵列光电存储器可以记录下特定的图形。这一成果近期发表于Nature Communications, 文章的第一作者是新加坡国立大学化学系向都、刘陶，通讯作者是陈伟教授。

通过图1可以看出，当WSe₂/BN存储器处于负向栅极电压以及光照射的条件下，可以被编程，电子可以存储于WSe₂中。编程完成后，可以在无光环境以及正向栅极电压下读取存储的电流。当在器件上加上正向栅极电压并且光照射器件时，存储电流可以被擦除，存储器回到初始状态。

图1. WSe₂/BN 光电存储器的工作原理。（a）WSe₂/BN 异质结器件结构图。（b）WSe₂场效应晶体管的转移特性曲线。（c）光电存储器的操作流程。存储器的编程（d）、读取（e）、擦除（f）能带结构图。

通过调节WSe₂/BN存储器的栅极电压，存储器的开关比率可以实现有效的调控。其开关比率最高可以达到1.1x10⁶，优于目前所报道的所有二维材料光电存储器。当测试时间达到4.5x10⁴ s时，其存储电流仍然几乎保持不变，说明存储器优异的非挥发性能。存储器可以被编程/擦除200循环，其存储性能也保持不变。

图2. 编程电压可调的WSe₂/BN 光电存储器以及其稳定性测试。（a）在不同编程电压下的转移特性曲线。（b）存储态随编程电压的变化。（c）存储电流和编程电压的函数图。（d）存储电流的保持时间。（e）读取/擦除循环次数。

通过激光脉冲照射在器件上，作者实现了130个可区分的存储态，说明WSe₂/BN 光电存储器可以存储至少7个进制，表明其高存储容量。

图3. 130个可区分存储态。

WSe₂/BN 光电存储对于不同波长的光有不同的编程效率，当光子能量小于2.6 eV时，其编程效率较低，高于2.6 eV时，编程效率会有显著的提升。造成这一现象的主要原因是BN的施主能级主要分布在2.6 eV以及以下。

图4. WSe₂/BN 光电存储器对波长的区分能力。（a）不同波长下的存储态。（b）存不同波长的转移特性曲线。（c）不同波长下的编程效率。

通过大面积的CVD WSe₂，作者实现了WSe₂/BN异质结的像素阵列。通过选择性的曝光这些像素点，WSe₂/BN阵列光电存储器可以记录下特定的图形。

图5. WSe₂/BN 光电存储器的像素阵列。（a）像素阵列的SEM图。（b）像素阵列记录下特定的图形NUS。

总结

在这个工作中，陈伟教授通过WSe₂和BN的异质结，实现了非挥发性多进制的光电存储器。存储器的开关比率可以达到1.1x10⁶，保证了130个可区分的存储态，存储进制数达到7。WSe₂/BN 光电存储器也表现出强劲的非挥发性和可编程性，当测试时间达到4.5x10⁴ s时，其存储态仍然几乎保持不变。经过200次编程/擦除后，存储器仍然可以保持原有的状态。作者也通过生长的大面积CVD WSe₂ 实现了阵列的WSe₂/BN 像素点记录三原色（红、绿、蓝）。通过选择性的曝光这些像素点，WSe₂/BN阵列光电存储器可以记录下特定的图形。这些结果表明了二维WSe₂/BN 异质结在未来光电存储器的巨大应用前景。

该论文作者为：Du Xiang, Tao Liu, Jilian Xu, Jun Y. Tan, Zehua Hu, Bo Lei, Yue Zheng, Jing Wu, A. H. Castro Neto, Lei Liu, Wei Chen

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Two-dimensional multibit optoelectronic memory with broadband spectrum distinction

Nat. Commun., 2018, 9, 2966, DOI: 10.1038/s41467-018-05397-w

导师介绍

陈伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/4358

刘雷

http://www.x-mol.com/university/faculty/49809