稀土基氧化物忆阻器的研究进展

Memristor is a basic component of circuit that associates charge with magnetic flux. It is the same as resistance in dimension,which shows nonlinear resistance switching behavior with voltage and current. As a new type of nonvolatile memory devices,memristor has the advantages of simple structure,high storage density,and simulation of biological synapses. Because of its unique ：“memory characteristics”,memristor has been widely studied in the fields of resistive memory devices,neural network,nonlinear computing circuit design and so on. Rare earth oxide-based memristors have been widely researched owing to the stable performance and multiple application prospects. However,there is no comprehensive summary of rare earth oxide-based materials,especially heavy rare earth elements. Therefore,this paper discusses the structure,composition,and resistive switching mechanism of the memristor. Secondly,it systematically reviews the key work of the application of each rare earth element oxide and rare earth doped oxide memristor in resistive memory,artificial neural network,and other aspects,from Y element to Lu element. The performances of rare earth based memristor with different device structures are summarized. Finally,the challenges of the rare earth based memristor are analyzed,the current feasible methods are briefly described,the advantages and disadvantages of rare earth based oxide memristor are summarized,and the development trend and application potential are forecasted. © 2023 Science Press (China). All rights reserved.     

无机固体材料中的忆阻效应

缺陷调控是固体化学中的基本问题,也是决定材料性能的核心要素。基于缺陷调控的忆阻效应将给未来电子信息领域带来全新的变革。本文综述了无机固体材料中忆阻效应的研究进展,主要总结了忆阻效应的产生机制和忆阻材料的类型,结合原子级p-n结的相关工作,提出深入明确电场下缺陷迁移机制将是从无机固体化学角度研究忆阻效应的重要方向。     

无机固体材料中的忆阻效应

缺陷调控是固体化学中的基本问题,也是决定材料性能的核心要素。基于缺陷调控的忆阻效应将给未来电子信息领域带来全新的变革。本文综述了无机固体材料中忆阻效应的研究进展,主要总结了忆阻效应的产生机制和忆阻材料的类型,结合原子级p-n结的相关工作,提出深入明确电场下缺陷迁移机制将是从无机固体化学角度研究忆阻效应的重要方向。     

新型Ti3C2 MXene的化学制备及基于MXene忆阻器特性与机理

阻变器件是一种微电子器件,具有阻值可在两个甚至两个以上的阻态之间重复变化的特点。忆阻器作为新型的阻变器件,具有可连续变化的丰富阻态。近年来因其具备简单的二端结构、高集成度以及低工作电压等特性,在新型非易失性存储以及构建神经形态系统等方面被广泛研究。但其在实现应用的过程中仍存在着稳定性较差等问题。近期一些工作证明了二维材料如氧化石墨烯在优化忆阻器性能方面具备良好的应用潜力。MXene是一种具备类似石墨烯结构的新型二维过渡金属碳/氮化物,因其具备二维层状结构显现出特殊的力学以及电学特性,有望应用于忆阻器中以提高器件的电学性能。在本文中,我们通过化学湿法刻蚀制备了Ti₃C₂粉末,通过旋涂工艺在忆阻器结构中引入Ti₃C₂薄膜。Ti₃C₂ MXene与SiO₂同时作为忆阻器阻变层,制备了Cu/Ti₃C₂/SiO₂/W结构的忆阻器,并且对其相关电学特性进行了探究。在该器件上,通过实验测得忆阻器典型的开关特性曲线并在双向直流电压下针对高、低阻态的可重复性、稳定性进行了实验。结果表明该器件能够在100个扫描循环过程中保持稳定的高、低阻态达到10⁴ s以上。同时,该器件状态能够受脉冲电压调节,实现突触间典型的双脉冲易化行为。实验结果表明基于Ti₃C₂ MXene的忆阻器将有望应用于构建新兴存储设备以及人工神经形态系统。     

高分子忆阻材料的设计、制备和神经突触仿生研究进展

自从1971年加州大学伯克利分校电子理论家蔡少棠教授提出忆阻器(又称记忆电阻,第四种电路元件)假设后,引起了材料科学家和固体物理学家的极大的研究兴趣。作为一种在计算机数据存储和神经运行领域具有广泛潜在应用价值的非线性动态电子器件,其影响可以追溯到发明电阻器、电容器、电感器之前。与生物大脑的神经突触类似,忆阻器兼具记忆和逻辑运算的功能。本文综述了近年来高分子忆阻材料的合成和生物神经突触模拟研究进展。利用不同的前、后突触刺激可以模拟神经突触展现的一些诸如短期/长期可塑性(STP/LTP)、尖峰时间相关的可塑性(STDP)、穗率相关塑性(SRDP)和学习-记忆-遗忘等基本功能。大量研究结果已经表明:材料体系的电荷转移与传输、分子间弱相互作用、材料分子结构、聚集态结构、薄膜微结构和电输运特性等因素对材料忆阻效应有显著影响。     

贻贝启发的偶氮-聚多巴胺涂层用于光电双响应忆阻器件

高性能忆阻器件的开发适应了大数据时代的需求,尤其是以结构可灵活调变的有机/高分子材料为活性层的新型忆阻器件,正日益成为光电传感和人工智能研究领域的热点。受贻贝灵感化学启发,在蒸镀有氧化铟锡（ITO）的玻璃基底上自组装聚多巴胺（PDA）薄膜形成活性层,随后通过点击化学反应接枝具有光致异构化特性的偶氮苯（Azo）,制备了结构为Al/PDAAzo/ITO的忆阻器件。对其结构和电学性能进行的研究结果表明：偶氮苯共价接枝在平整的聚多巴胺表面;器件在施加电压扫描下表现出稳定的非易失性可擦写阻变存储特性,并且电导率在紫外光照射后增加30倍,而在可见光照射后恢复,实现了对电场和光场的双重响应。     

共价有机框架薄膜的界面生长策略及其在忆阻器中的研究进展

随着大数据和物联网时代数字通信技术的飞速发展,忆阻器在高密度数据存储技术和神经形态计算等应用中扮演着越来越重要的角色.得益于共价有机框架(COF)材料优异的可设计性及独特的光电特性,同时,伴随着液体界面辅助的制备策略不断发展与完善, COF材料在存储器件中的应用得到了极大推广.为了开发更高性能的基于COF材料的存储器件,需要全面地了解从材料设计、制备到器件应用的不断发展.因此,本综述系统地总结了COF薄膜的制备策略及其在忆阻器中应用的进展.最后,我们对基于COF存储器件的当前挑战及未来发展进行了总结与展望.     

基于丙烯酸-丙烯酰胺共聚物的氧化铟锡蚀刻油墨的制备与性能

以丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）为单体,采用水溶液聚合法制备了低黏度聚（丙烯酸-丙烯酰胺）P（AA—Co—AM）树脂。使用旋转黏度计和热重分析仪等测试了树脂的性质,并以该树脂为连接料,制备了新型水性氧化铟锡（ITO）蚀刻油墨。探讨了该油墨的保水性、pH变化和蚀刻图像解析度等。结果表明：通过优化合成工艺可制备分子量适宜的P（AA—CO—AM）树脂,它在150℃以下无分解现象;油墨在使用3h后失水率仅为3．68％-5．34％,存放60d后pH基本无变化,且丝网印刷效果明显好于市售油墨。     

商用氧化铟锡玻璃:室温高效还原氮气的催化剂电极

NH₃作为一种必需的活化氮源,在化肥、染料、爆炸物和药物等的制造中起到了关键作用;同时,它也是一种在交通运输领域具有吸引力的无碳能源载体.工业上生产氨气使用典型的哈伯-博世工艺,但是此工艺涉及大量的能源消耗和碳排放,给环境带来巨大的压力.电化学氮还原反应(NRR)能够在温和环境下实现环境友好、节能的氨合成,但此过程需要高效的电催化剂.高效的NRR催化剂(Au、Ag、Pd和Ru)储量少、成本高,阻碍了它的实际应用.因此,设计和开发由地球上丰富的元素制成的具有成本效益的催化剂来代替NRR催化剂意义重大.本课题组最近的研究(Chem.Commun.,2018,54,12966-12969)表明,SnO2在环境条件下具有电催化氧化活性,但其低电导率限制了其性能,可通过氟掺杂或石墨烯杂化予以解决.氧化铟锡(ITO)作为一种含SnO2的材料,导电性好,可望用于NRR的高效电催化剂中.因此,本文采用商用氧化铟锡玻璃(ITO/G)作为催化剂电极,在温和环境条件下进行N₂-NH₃的电化学转化,并呈现出对生成氨气有较高的选择性.XRD和XPS结果表示,商用ITO/G中存在In,Sn和O元素;SEM显示ITO/G具有清晰的纳米薄膜结构和267 nm的截面厚度;相应的EDX谱图显示In,Sn和O元素分布均匀,且原子比为32.11:3.16:64.74.采用紫外-可见光谱及线性扫描伏安和恒电位极化等电化学测试研究了商用ITO/G的NRR活性.在0.5 M LiClO4电解液中测试时,于-0.40 V vs.RHE条件下,ITO/G的NH₃产率为1.06×10^-10 mol s^-1 cm^-2,其法拉第效率为6.17%.15N同位素标记实验证实了所测到的NH₃是由ITO/G催化的N₂电还原反应生成的.利用第一性原理计算探讨了在ITO催化剂上可能的NRR反应机理,确定了ITO催化剂的NRR活性位点、N₂化学吸附活性位点以及NRR的反应途径.此外,24 h恒电位(-0.40 V vs.RHE)极化测试和2 h恒电位极化(-0.40 V vs.RHE)测试后的XRD和SEM结果表明,该催化剂具有较高的电化学稳定性.综上所述,商用ITO/G用作在环境条件下将N₂转化为NH₃的有效催化剂电极,将为开发人工固定氮气的ITO基纳米结构提供一种研究途径.     

二硫化锡纳米片阻变存储器的制备与性能

采用水热法合成了尺寸为50~100 nm的二硫化锡纳米片,并首次以二硫化锡作为阻变层材料的阻变存储器（Cu/PMMA/SnS₂/Ag,PMMA=聚甲基丙烯酸甲酯）,对其阻变性能进行了研究。结果表明： Cu/PMMA/SnS₂/Ag阻变存储器的开关比约10⁵,耐受性2.7×10³。在上述2项性能指标达到较优水平的同时,开态与关态电压分别仅约为0.28与-0.19 V。     

铟锡氧化物(ITO)纳米颗粒的制备及表征

以金属In和SnCl₄·5H₂O为主要原料，加入保护剂PVP，利用化学共沉淀法合成了球形的铟锡氧化物(ITO)纳米颗粒。分别对PVP的用量、溶液的pH值、热处理温度等因素对ITO纳米颗粒粒径的影响进行了分析。并且借助透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)对所合成的ITO纳米颗粒进行了表征。XRD分析说明本文合成了金刚砂型结构的铟锡氧化物纳米颗粒，并且其晶型结构随着热处理温度的升高而转变为铁锰矿型。     

直接电沉积金纳米粒子修饰氧化铟锡电极测定亚硝酸根

以电化学沉积法一步制得了金纳米粒子(GNP)修饰氧化铟锡(ITO)电极,采用紫外、扫描电镜及循环伏安法对GNP/ITO修饰电极进行了表征。结果表明,金纳米粒子在ITO电极表面呈球形,分布均匀无团聚,粒径约30 nm。该修饰电极具有良好的电化学性能,在pH 2.2的Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液中其氧化峰电流与NO2-的浓度呈良好的线性关系,线性范围为5×10-6~5.5×10-4mol/L,线性回归方程为:i(μA)=1.07 136C(mmol/L),相关系数r=0.9969;检出限可达1.0×10-6mol/L。该修饰电极用于废水中NO2-的测定,结果令人满意。     

ITO成分分析标准物质的研制

研制3种掺杂铁、铜、铅、锌、钙、镁金属元素的氧化铟锡(ITO)成分分析标准物质。采用溶胶凝胶和共沉淀相结合的方法制备标准物质候选物,用电感耦合等离子体发射光谱法对其进行均匀性、稳定性检验及定值分析。采用8家具有资质的实验室对研制的标准物质进行协作定值,对定值结果的不确定度进行评定。结果表明:研制的ITO成分分析标准物质具有良好的均匀性和稳定性,3种标准物质中氧化锡含量在1%~10%之间,相对扩展不确定度为0.7%~6.6%(k=2);6种掺杂元素含量在0.05%~0.30%之间,相对扩展不确定度为3.4%~11%(k=2)。     

静电纺丝法制备纳米氧化铟锡及其导电性能

采用静电纺丝-溶胶凝胶法,以SnCl₂、InCl₃、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等为原料,乙醇胺为水解控制剂,合成了超细氧化铟锡（ITO）纳米纤维及富氧缺陷的ITO纳米颗粒。采用透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）、X射线电子能谱（XPS）、四探针电阻仪,系统研究了超细ITO纤维及颗粒的形貌、晶型、氧缺陷及导电性能。在400℃空气煅烧后,纤维中的PVP高分子骨架发生热分解,获得超细、多孔ITO纳米纤维,晶型为立方相。进一步升高煅烧温度至800℃,ITO纳米纤维转变为富氧缺陷的纳米颗粒,晶格氧空位含量高达38.9%。随着煅烧温度升高,Sn⁴⁺掺入到In₂O₃晶格中,发生晶格膨胀,晶面间距增大。煅烧温度由400℃升高至800℃,未发生立方相向六方相的转变,晶型稳定,晶粒尺寸从32 nm生长到44 nm,晶格应变（ε₀）从1.42×10^-2减小至1.04×10^-2,应变诱导的晶格弛豫逐渐减小。此外,高温煅烧可抑制In₂O₃晶粒（111）晶面的增长,随着In₂O₃的（400）与（222）晶面比值（I_（400）/I_（222））的增加,ITO电导率逐渐升高。在800℃获得的ITO纳米晶粒导电率最高。     

静电纺丝法制备纳米氧化铟锡及其导电性能

采用静电纺丝-溶胶凝胶法,以SnCl2、InCl3、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等为原料,乙醇胺为水解控制剂,合成了超细氧化铟锡(ITO)纳米纤维及富氧缺陷的ITO纳米颗粒.采用透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、X射线衍射(XRD)、X射线电子能谱(XPS)、...     

通过硅烷偶联剂在硅和铟锡氧化物(ITO)表面嫁接寡聚芴分子

通过硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyl-triethoxysilane,APTES)的“分子桥梁”作用,采用两种不同的方法,把修饰后的寡聚芴分子键联到硅表面和铟锡氧化物(ITO)表面上。X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)和循环伏安(CV)方法等的表征证实了通过硅烷偶联剂在硅表面和ITO表面嫁接寡聚芴分子可行性。     

半导体氧化锡粉末直流电阻的测定

粒径为０．０２～１０μｍ的半导体氧化锡粉末在真空中充分脱气和施加高于４０ＭＰａ压力可获得重现性较好的直流电阻。无锑掺杂氧化锡粉末的直流电阻随试样冷却吸附的温度而异，讨论了多晶氧化锡粉末的结构对电阻测定的影响。     

Immobilization of Hemoglobin on Cobalt Nanoparticles-modified Indium Tin Oxide Electrode:Direct Electrochemistry and Electrocatalytic Activity

A cobalt nanoparticles-attached indium tin oxide(CoNPs/ITO) electrode was applied to the immobilization of hemoglobin(Hb) and an Hb modified CoNPs/ITO electrode(Hb/CoNPs/ITO) was prepared. The direct electron transfer of Hb was shown by the well-behaved voltammetric responses for Hb/CoNPs/ITO electrode and the effects of scan rate and pH value were observed. Based on the catalytic activity of Hb immobilized on the CoNPs/ITO electrode toward the reduction of H₂O₂, a mediator-free H₂O₂ sensor was developed. A linear relationship existed between the catalytic current and the H₂O₂ concentration in a range of 1.0―100.0 μmol/L with a detection limit (S/N=3) of 0.2 μmol/L.