ACS AMI | 构建2D/3D钙钛矿异质结构改善钙钛矿基阻变存储器性能

英文原题：Improved Performance of CH₃NH₃PbI_3–xCl_x ResistiveSwitching Memory by Assembling 2D/3D Perovskite Heterostructures

通讯作者：李必鑫，湖南第一师范学院；夏英东，南京工业大学

作者：Fei Xia, Ying Xu, Bixin Li, Wei Hui, Shiyang Zhang, Lin Zhu, Yingdong Xia, Yonghua Chen and Wei Huang

随着信息技术的快速发展，数据处理和存储的需求持续增大，对存储器件的性能提出了更高的要求。近年来，有机无机杂化钙钛矿材料由于独特的混合电子离子特性，在光伏器件、光电子器件以及存储器等方面都引起了广泛的关注。然而通常的3D钙钛矿薄膜需要在惰性气氛下利用反溶剂制备，工艺复杂。另外3D钙钛矿多晶薄膜由于在表面和晶界处存在缺陷，容易导致钙钛矿分解，制约了器件的存储性能。因此开发制备工艺简单、开关比高、存储性能好的钙钛矿基阻变存储器成为该领域关注的热点之一。

近期，湖南第一师范学院李必鑫和南京工业大学夏英东课题组通过在3D钙钛矿CH₃NH₃PbI_3-xCl_x薄膜表面旋涂碘化正丁基铵(BAI)溶液，构建2D/3D钙钛矿异质结构钝化CH₃NH₃PbI_3-xCl_x薄膜表面缺陷态的办法，显著改善了阻变存储器的器件性能。研究人员首先使用醋酸甲胺离子液体作溶剂溶解钙钛矿前驱体，实现了在空气中利用一步旋涂法制备出高质量的CH₃NH₃PbI_3-xCl_x钙钛矿薄膜。随后在钙钛矿薄膜表面旋涂BAI溶液，利用BAI与3D钙钛矿分子之间的化学反应，生成2D钙钛矿界面层，进而形成2D/3D钙钛矿异质结构，钝化了3D钙钛矿表面的缺陷态(图1、图2)。基于该结构制备的阻变存储器件与CH₃NH₃PbI_3-xCl_x基存储器件相比，开关比提升近1000倍(>10³)，具有更低的工作电压(图3)，在完成1000次写入/擦除循环以及10⁴s恒压读取后仍能够保持稳定的存储性能(图4)。研究者认为，引入2D钙钛矿界面层，降低了器件高阻态电流，使得高阻态的电流传导机制由空间电荷限制电导转变为肖特基发射型导电机制(图5)，从而改善了存储性能。研究者相信，通过引入2D钙钛矿界面层钝化杂化钙钛矿薄膜表面缺陷，制备高性能的2D/3D钙钛矿异质结构阻变存储器将会进一步促进金属卤化物钙钛矿材料在阻变存储器件领域的发展。

图1. (a)2D/3D钙钛矿异质结构存储器件的制备流程和(b)2D钙钛矿形成过程的示意图。

图2. 分别用0、1、3和6mg/mL BAI溶液处理的CH₃NH₃PbI_3-xCl_x膜的(a)X射线衍射谱，(b)紫外可见光吸收图谱，(c-f)扫描电子显微镜图片。

图3. 基于(a)CH₃NH₃PbI_3-xCl_x和(b)用3mg/mL BAI处理的2D/3D钙钛矿异质结构存储器件的I-V特性曲线。

图4. (a)基于2D/3D钙钛矿异质结构存储器件在经过首次及不同扫描次数至300次的I-V特性曲线。(b)数据保持特性和(c)耐久性测试图，读取电压为0.25V。

图5.(a)ITO/CH₃NH₃PbI_3-xCl_x/Al器件在高阻态和低阻态拟合的I-V曲线。(b)2D/3D异质结构钙钛矿基器件在高阻态和低阻态中拟合的I-V曲线。其高低阻态分别采用(c)肖特基模型ln(I)〜(V)^1/2和(d)欧姆模型ln(I)〜ln(V)的拟合结果。

研究成果发表于近期的ACSApplied Materials＆Interfaces期刊上。该研究得到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、江苏省特聘教授计划、江苏省六大人才高峰计划等项目的资助。

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ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, ASAP

Publication Date: March 9, 2020

https://doi.org/10.1021/acsami.9b22732

Copyright © 2020 American Chemical Society