利用單步熱解法，從天然廢料--死亡的九重葛苞片中合成了穿孔的渦輪層石墨烯（PTG）片，并首次用它建造了一個電阻開關(guān)（RS）存儲器件。在這里，由于石墨烯片的相鄰層之間的渦輪層堆疊，這些大面積的多層石墨烯片的邊緣是高度導(dǎo)電的。這些嵌入在絕緣聚合物基體內(nèi)的高導(dǎo)電PTG片可以作為電阻式開關(guān)存儲器件的活性層。這種混合結(jié)構(gòu)通過簡單的偏置電壓變化在兩個不同的電阻狀態(tài)之間顯示出非線性的電阻變化。陷阱輔助的空間電荷限制的傳導(dǎo)可以實現(xiàn)高電阻狀態(tài)（HRS），而低電阻狀態(tài)（LRS）是通過直接傳導(dǎo)實現(xiàn)的。為了獲得最佳性能的器件，已經(jīng)進行了一些優(yōu)化，如聚合物基質(zhì)的變化、PTG和聚合物濃度的變化、活性層厚度的變化和頂部電極面積的變化。性能最好的器件顯示了電流-電壓數(shù)據(jù)的可重復(fù)性（>200次），低功耗（SET電壓<1 V），高開/關(guān)比率（>10
4），長保留時間（>10
4 s），以及大量的耐久性循環(huán)（>10
3）。還對表現(xiàn)最好的器件進行了高寫-讀-擦-讀速度和柔性/彎曲循環(huán)測試，以考察其韌性。目前基于PTG的柔性RS存儲器件來自于生物廢料--死亡的九重葛苞片，可以為開發(fā)綠色電子產(chǎn)品提供重要的一步。
圖1. ReRAM器件的合成和制造過程。(a, b)PTG的合成協(xié)議；(c)使用PTG嵌入PVP作為活性層的器件的制造。
圖2. 合成的PTG的基本特征（a-c）HRTEM分析；（d，e）分別對D和G波段以及2D波段進行拉曼分析；（f）XRD顯示渦輪化；（g-i）分別對C 1s、O 1s和N 1s進行XPS光譜及其解旋。
圖3. 制造的器件的基本I-V特性和穩(wěn)定性測試。(a) 基于Al/PTG@PVP/ITO的RS存儲器件的示意圖和真實照片（插圖）。(b) 該器件在不同CC下的典型不對稱I-V行為。(c) 在不同電壓下，不同CC的電流開/關(guān)比率。(d) 分別為7、15、30和45毫克的四種不同濃度PVP的器件的典型I-V特性。(e) 不同PVP濃度的器件在三個CC窗口下的電流開/關(guān)比率。（f） 對于三個讀取電壓0.25、0.5和0.75 V，具有不同PTG濃度的器件的電流開/關(guān)比。（g）200個連續(xù)電壓掃描周期的最佳器件的磁滯I–V數(shù)據(jù)。（h） 性能最佳的器件獲得的保持時間>10
4 s。（i）使用−2.0 V的脈沖條件獲得的耐久循環(huán)>10
3，“寫入”操作為100μs，“擦除”操作為+2.0 V，100μs。讀取電壓在所有循環(huán)中都設(shè)置在低偏置電壓（|0.5 V|），并且穩(wěn)定的ON/OFF電阻比保持在10
4Ω以上。
圖4. 電阻狀態(tài)和彎曲測試的統(tǒng)計分布。(a) 在1kHz到1MHz的不同寫入和擦除速度下記錄的電阻狀態(tài)。(b) 在0.1 mV/s到0.5 V/s的不同掃描速度下，從固定讀取電壓（-0.5 V）的I-V曲線中得到的LRS和HRS變化。(c, d) 分別是十個不同器件（器件對器件）和單個器件的多個周期（周期對周期）的電阻值的統(tǒng)計分布。(e) 彎曲測試期間的LRS和HRS電阻超過100個彎曲周期，一個彎曲周期的示意圖（插圖）。(f) 器件在100個彎曲周期之前和之后的半對數(shù)I-V曲線。
圖5. 不同活性層厚度、頂部電極面積和不同聚合物的I-V特性和電阻狀態(tài)的變化。(a) 具有不同活性層厚度的器件示意圖。(b) 具有不同活性層厚度（500、300、100和50納米）的存儲單元在10μA的CC下的典型I-V特性。(c) 不同活性層厚度的HRS和LRS電阻。(d) 具有不同面積的頂部電極的器件示意圖；(e) 具有四個不同面積頂部電極的存儲單元的典型I-V特性。(f) 不同面積的頂部電極的HRS和LRS電阻。(g-i) 3種不同的聚合物，PVP、PMMA和PVA的電流-電壓特性，以及它們各自的能帶圖。
圖6. ReRAM器件在不同電壓區(qū)域的電流傳導(dǎo)機制。(a)示意圖展示了無偏壓器件（ITO/PTG@PVP/Al）的能帶圖，(b)圖3g中常見的I-V曲線之一，它顯示了同一器件的重復(fù)I-V曲線。(c) 區(qū)域A顯示在對數(shù)表現(xiàn)中；從數(shù)據(jù)的線性擬合中，發(fā)現(xiàn)斜率為2.0，這是由于陷阱輔助的空間電荷限制電流傳導(dǎo)（SCLC）。(d) 一旦器件處于LRS狀態(tài)，如果我們降低電壓，在陷阱電子存在的情況下，新注入的電子會直接傳導(dǎo)，這可以在面板b的B區(qū)直觀地看到。插圖顯示了直接導(dǎo)通方法的示意圖。數(shù)據(jù)的斜率被發(fā)現(xiàn)為1.0，這進一步證實了在這個過程中，傳導(dǎo)機制是直接的或歐姆的。 (e) 隨著正電壓的增加，電子的填充不會像負偏壓那樣發(fā)生。面板b中的區(qū)域C強烈表明了這一點。很少的電子可以通過隧穿穿過勢壘，而在施加正向偏壓時，只有非常少的電子被通過。擬合曲線中的高斜率值支持陷阱輔助的SCLC類型的傳導(dǎo)。
圖7. PTG的CAFM分析。(a, b) PTG片的典型AFM圖像，顯示了片的穿孔。PTG的平均高度是80-120納米，線狀圖清楚地顯示了PTG片內(nèi)部存在穿孔，PTG的濃度在邊緣，（c-g）CAFM研究，已經(jīng)使用接觸模式完成，尖端連接到地面，偏置電壓被施加到樣品上。c-f板塊顯示了電流圖，g板塊顯示了在不同的外加偏壓（0.5到3V）下電流變化的相應(yīng)線型。
相關(guān)研究成果由賈達普大學(xué)Kalyan K. Chattopadhyay等人2023年發(fā)表在ACS Applied Electronic Materials (https://doi.org/10.1021/acsaelm.3c00037)上。原文：Perforated Turbostratic Graphene As Active Layer in a Nonvolatile Resistive Switching Memory Device。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
