憶阻器，是一種基于“記憶”外加電壓或電流歷史而動態(tài)改變其內(nèi)部電阻狀態(tài)的電阻開關(guān)。由于擁有超小的尺寸，極快的擦寫速度，超高的擦寫壽命，多阻態(tài)開關(guān)特性和良好的CMOS兼容性，憶阻器被業(yè)內(nèi)視為可應(yīng)用在未來存儲和類腦計算（神經(jīng)形態(tài)計算）技術(shù)的重要候選者。然而，基于傳統(tǒng)氧化物材料的憶阻器在高溫和承受壓力等惡劣環(huán)境下，會出現(xiàn)器件的失效，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足航空航天、軍事、石油和天然氣勘探等應(yīng)用中對于電子元件耐熱性的需求。因此，尋找新材料和新結(jié)構(gòu)來提升憶阻器在惡劣環(huán)境下工作的可靠性成為憶阻器研究的一個重要挑戰(zhàn)。

南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授課題組近年來圍繞二維材料電子器件應(yīng)用開展了系統(tǒng)的工作，在包括場效應(yīng)電子器件、紅外光電探測器件等領(lǐng)域已取得一系列成果。目前，他們和科研合作團隊利用二維層狀硫氧化鉬（氧化二硫化鉬）以及石墨烯構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)的范德華異質(zhì)結(jié)，在世界上首次實現(xiàn)了基于全二維材料的、可耐受超高溫和強應(yīng)力的高魯棒性憶阻器，為推動憶阻器在高溫電子器件和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用邁出重要一步。

這項工作選取了硫氧化鉬（氧化二硫化鉬）和石墨烯分別作為憶阻器的介質(zhì)層和電極材料，制備了三明治結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)。團隊首先利用機械剝離法得到二硫化鉬和石墨烯薄膜樣品，將二硫化鉬薄膜加熱氧化后得到硫氧化鉬。接著利用二維材料定向轉(zhuǎn)移的工藝，將石墨烯、硫氧化鉬、石墨烯堆疊在一起形成具有原子級平整度界面的范德華異質(zhì)結(jié)（圖a），如此高質(zhì)量的界面是基于傳統(tǒng)氧化物材料的憶阻器所無法實現(xiàn)的。測試結(jié)果顯示這種基于全二維材料的異質(zhì)結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)非常穩(wěn)定的開關(guān)：可擦寫次數(shù)超過千萬次（10⁷，圖b），擦寫速度小于100 ns，并且擁有很好的非揮發(fā)性。團隊發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的憶阻器能夠在高達340℃的溫度下穩(wěn)定工作并且保持良好的開關(guān)性能（圖c，圖d），創(chuàng)下了憶阻器工作溫度的新記錄（此前發(fā)表的最高記錄為200℃）。團隊利用透射電子顯微鏡進行原位觀察，發(fā)現(xiàn)該憶阻器的耐熱性來源于硫氧化鉬超高的熱穩(wěn)定性，并進一步清楚地揭示了該憶阻器中基于氧離子遷移的工作機制。結(jié)果顯示，該憶阻器中的導(dǎo)電通道在開關(guān)過程中一直被具有超高熱穩(wěn)定性的單晶石墨烯和層狀硫氧化鉬很好地保護著，保證了導(dǎo)電通道在高溫擦寫過程中的穩(wěn)定性。最后，團隊將該憶阻器置于柔性襯底聚酰亞胺上，發(fā)現(xiàn)器件在大于0.6%的形變應(yīng)力下伸曲1200次之后同樣能夠穩(wěn)定地工作。

《自然·電子學(xué)》官網(wǎng)截圖與基于二維材料的耐高溫憶阻器：（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）器件在脈沖電壓操作下2×107次的穩(wěn)定開關(guān)表現(xiàn)；（c）器件在20~340℃溫度范圍內(nèi)的開關(guān)曲線；（d）器件分別在100℃、200℃和300℃高溫下的1000次穩(wěn)定開關(guān)表現(xiàn)。

2018年2月5日，該工作以《基于層狀二維材料的高魯棒性憶阻器》(Robust memristors based on layered two-dimensional materials)為題發(fā)表在《自然·電子學(xué)》雜志上(Nature Electronics DOI:10.1038/s41928-018-0021-4)，這也是南京大學(xué)在該期刊發(fā)表的首篇論文。物理學(xué)院博士生王淼和現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生蔡嵩驊為論文的共同貢獻第一作者，繆峰教授、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的王鵬教授和馬薩諸塞大學(xué)的楊建華教授為該論文的共同通訊作者。這項研究工作不僅展示了二維層狀材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)在憶阻器領(lǐng)域中的巨大應(yīng)用前景，對未來極端環(huán)境下電子元件的設(shè)計與研究有著重要的指導(dǎo)意義；同時也指出，因為二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以結(jié)合不同二維材料的優(yōu)異性質(zhì)，也給人們提供了一種解決其它領(lǐng)域電子器件技術(shù)挑戰(zhàn)的可能的通用途徑。

該項研究得到微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持，以及國家杰出青年科學(xué)基金、科技部“量子調(diào)控”國家重大科學(xué)研究計劃（青年科學(xué)家專題）項目、江蘇省杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

作為自然科研品牌旗下近期推出的新期刊，《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）面向?qū)W術(shù)界和工業(yè)界，旨在發(fā)表電子學(xué)領(lǐng)域所涵蓋的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的最新原創(chuàng)性成果，側(cè)重報道新興技術(shù)的發(fā)展及其對社會變革的重大影響。