突破！层状无铅钙钛矿忆阻器实现超高开 / 关比，为存储技术变革助力

为解决铅基钙钛矿的毒性问题，研究人员开展基于层状无机无铅钙钛矿 Cs3Bi2Br9（CBB）的电阻开关（RS）器件研究。制备的器件展现出超高开 / 关比达 109及良好稳定性，为下一代存储设备发展提供新思路。

　　在过去十年间，卤化物钙钛矿在各类半导体材料中脱颖而出。其凭借软晶格特性，拥有丰富的化学性质和可设计的能带结构，在光伏、发光二极管、光电器件以及 X 射线探测器等众多领域都有着广泛应用。近年来，科学家们发现利用钙钛矿中离子的可移动性，还能将其应用拓展至人工突触和电阻开关存储器等微电子器件领域。

然而，目前研究最为广泛的铅基卤化物钙钛矿，在工业化进程中面临着一个棘手难题 —— 铅的生物毒性。尽管铅基钙钛矿性能卓越，但这一毒性问题严重阻碍了其大规模应用。为了攻克这一难关，科学界积极探索，尝试用毒性较低的元素部分或完全替代铅。在众多候选元素中，与铅同属 IVA 族的锗（Ge）和锡（Sn），因易氧化导致稳定性欠佳；而铋（Bi），因其在元素周期表中与铅相邻，电子构型和离子半径相似，不仅合成可行性高，有望继承优异的光电性能，且毒性较低，对氧气和湿度的稳定性更好，在商业化方面极具潜力。

在铋基钙钛矿的众多衍生物里，Cs₃Bi₂Br₉（CBB）作为一种二维层状结构的钙钛矿，在电阻开关（RS）器件领域崭露头角。不过，此前关于基于单晶 CBB 的 RS 器件研究却鲜见报道。在此背景下，来自国内的研究人员开展了相关研究，他们的成果对于开发下一代超紧凑存储设备意义重大，该研究成果发表在《Applied Surface Science》上。

研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先，采用反溶剂气相辅助结晶法合成 CBB 微板，该方法能够有效制备出高质量的 CBB 微板。其次，利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对 CBB 微板的晶体结构和形貌进行表征，以此确定其高结晶性。此外，通过构建具有 Au/Ag/CBB/FTO 配置的垂直忆阻器，并调控顺应电流（I_CC）来研究器件的电阻开关行为。

材料制备

研究人员采用反溶剂气相辅助结晶法制备 CBB 微板。将摩尔比为 3:2 的 CsBr 和 BiBr₃溶解在 DMF/DMSO 混合溶剂中形成前驱体溶液，随后将该溶液滴在干净的 FTO 基底上，并置于含有异丙醇 / 苄醚的封闭容器中，在 10°C 的环境下反应 12 小时，最终在 FTO 基底上生成浅黄色的 CBB 晶体。

单晶 CBB 微板的表征

研究中制备 CBB 微板所使用的溶剂无毒且环保，无需使用 HBr。通过光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）对制备在 FTO 基底上的 CBB 微板进行观察，发现大多数合成的 CBB 微板呈六边形，典型直径约为 30μm，并且在基底上分散均匀，表面光滑洁净，没有副产物生成。

电阻开关器件性能研究

研究人员制备的垂直结构 RS 器件，通过控制I_CC，展现出挥发性单极阈值开关（TS）和非挥发性双极开关特性。这表明在同一配置下，该器件既能实现 TS 选择器功能，又能实现 RRAM 功能。在两种操作模式下，该器件在无形成电阻开关过程中，写入电压V_SET均低于 0.2V。极低的关态电流（10^-12A）使得器件的开 / 关比高达 10⁹，具备多电平存储功能，可作为非易失性忆阻器使用。此外，该器件在环境条件下放置 20 个月后，依然表现出良好的稳定性。

电阻开关行为的机制分析

CBB 的层状晶格结构限制了卤素离子和电荷载流子的移动，这不仅提高了器件的开 / 关比，还延缓了材料的降解。同时，CBB 薄片中 Ag 的电化学金属化（ECM）过程解释了器件的电阻开关行为。

研究人员成功制备出基于单晶 CBB 微板的垂直结构 RS 器件，该器件展现出超高的开 / 关比、良好的稳定性以及多电平存储功能。这一研究成果不仅为层状无机无铅钙钛矿在电阻开关器件领域的应用提供了新的思路，也揭示了其作为忆阻器的巨大潜力，为下一代超紧凑存储设备的发展奠定了坚实基础。此次研究为解决传统铅基钙钛矿的毒性问题提供了有效方案，有望推动存储技术朝着更加环保、高效的方向迈进。