六方砷化硼纳米片的合成及其在低功耗柔性忆阻器中的应用研究

针对六方砷化硼（h-BAs）因生长过程长和体结构限制应用的问题，研究人员开发原位化学反应法合成超薄 h-BAs 纳米片，制成忆阻器，具高 ON/OFF 电流比、低能耗和稳定性，为下一代电子器件开发提供新路径。

　　在电子器件飞速发展的今天，低功耗、柔性化成为未来技术的重要方向。六方砷化硼（h-BAs）作为一种极具潜力的 III-V 族半导体材料，理论上具有超高热导率（1300 W?m^-1·K^-1）和独特的载流子迁移率（电子：1400 cm²·V^-1·s^-1；空穴：2110 cm²·V^-1·s^-1），在光电子、光伏和热电等领域展现出广阔应用前景。然而，其合成面临诸多挑战：砷的高挥发性和蒸气压、硼的高熔点（~2076°C）以及高温下易形成非晶或亚晶相（如 B₁₂As₂），导致高质量 h-BAs 晶体难以制备，相关器件应用研究更是空白。为突破这些瓶颈，香港城市大学的研究人员开展了六方砷化硼纳米片的合成及其在忆阻器中应用的研究，相关成果发表在《Nature Communications》。

研究人员主要采用的关键技术方法包括：一是通过原位化学反应，在低压氢气氛中利用硼氢化钠与元素砷反应合成 h-BAs 纳米片，采用三步控温加热工艺实现热分解和化学反应；二是借助扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）等多种表征手段，对纳米片的形貌和晶体结构进行分析；三是运用拉曼光谱、紫外 - 可见（UV-vis）漫反射光谱和红外光谱研究其光学性质；四是通过密度泛函理论（DFT）计算对电子结构和生长机制进行理论分析。

结果

BAs 纳米片制备与验证

通过优化反应条件，在 650°C 下反应 30 min 可成功合成大面积、超薄的 h-BAs 纳米片。SEM 显示纳米片呈不规则形状，AFM 测得厚度约 2.75 nm，TEM 和 SAED 证实其为结晶良好的六方纤锌矿结构，晶格常数为 3.39 ?，硼原子与四个等效砷原子键合形成角共享 BAs₄四面体。X 射线光电子能谱（XPS）表明存在两种 B-As 键，拉曼光谱中 622.3、809.3 和 1070.3 cm^-1处的峰对应不同的 BAs 键振动模式，UV-vis 漫反射光谱显示其为半导体，光学带隙约 1.49 eV，理论计算得出间接带隙为 1.2 eV。

生长机制

研究发现，温度和反应时间对产物影响显著。低于 600°C 时反应不充分，难以形成纳米片；600°C 时形成非晶纳米片；650°C 时得到结晶良好的纳米片；温度更高时纳米片会融合成块或再次蚀刻。反应时间过短（5 min）时原料未充分分解，15 min 时形成小面积厚非晶纳米片，30 min 时得到大面积薄片，过长时间（60 min 以上）则导致分解和融合。生长过程中，钠作为原位气体模板和催化剂，促进硼氢化钠分解和硼 - 砷键形成，降低反应活化能，使合成温度低于立方 BAs（>800°C）和 B₁₂As₂（920°C）。

忆阻器实验验证与机制

以 h-BAs 纳米片为电荷捕获材料、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为绝缘体，制备了 Ag/h-BAs-PVP/Au 结构的忆阻器。该器件兼具阈值开关（TS）和记忆开关（MS）特性，TS 模式下双向阈值电压分布窄，MS 模式下开关比高达 10⁹，能耗低于 4.65 pJ，可稳定工作超 5000 次循环。柔性器件（Ag/Al₂O₃/h-BAs-PVP/Au/PET）在弯曲测试（1000 次，弯曲半径 7 mm）中表现出良好稳定性，开关比保持 10⁶以上。机制研究表明，器件通过银离子（Ag⁺）在 h-BAs-PVP 层中的扩散和导电丝的形成 / 断裂实现开关功能，XPS 深度剖析证实了银导电丝的存在。

结论与讨论

本研究成功开发了一种高效合成六方砷化硼纳米片的方法，解决了其制备难题，揭示了生长机制，并首次将其应用于忆阻器，展示了高开关比、低功耗和良好柔性等优势。该成果不仅为 h-BAs 的基础研究和应用开发提供了新策略，也为下一代低功耗柔性电子器件（如可穿戴设备、神经形态计算器件）的发展奠定了基础。未来，进一步优化纳米片的尺寸均匀性和器件结构，有望推动 h-BAs 在更多领域的实际应用。