单晶二维介电忆阻器中导电枝晶工程的突破：超低功耗非易失性存储新策略

这篇研究通过调控六方氮化硼（h-BN）单空位密度（nSV），实现了导电枝晶生长的定向控制，成功解决了忆阻器（memristor）的"功耗-保持困境"（power-retention dilemma）。该工作利用扫描焦耳膨胀显微镜（SJEM）验证了单晶h-BN中nSV的关键调控作用，开发出具有26 mV超低置位电压、4 fW待机功耗和10年数据保持能力的非易失性忆阻器，为下一代神经形态计算和存内计算（computing-in-memory）提供了突破性解决方案。

　　

单晶二维介电忆阻器中的导电枝晶工程

超低功耗非易失性忆阻器是电子器件中的关键元件。然而，忆阻器的功耗降低往往会损害数据保持能力，这一挑战被称为"功耗-保持困境"，其根源在于电阻开关材料中导电枝晶的随机形成。本研究报道了在单晶二维（2D）介电材料中实现导电枝晶工程的结果，其中可以实现丝状分布的方向控制。

研究发现，单晶六方氮化硼（h-BN）的单空位密度（n_SV）在调节导电枝晶生长中起着关键作用，这一发现得到了扫描焦耳膨胀显微镜（SJEM）的支持。通过优化n_SV，随机枝晶生长被大幅限制，电子在垂直通道中的相邻银纳米团簇之间跳跃。研究建立了相应的模型来探究n_SV与忆阻器工作电压之间的关系。

材料与方法

单晶h-BN的生长采用碳掺杂技术调控SV缺陷。通过调整碳粉在熔融合金中的重量比，实现了n_SV从2.0×10¹³到9.4×10¹³ cm^-2的可控变化。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）证实了材料的高质量单晶结构。

忆阻器采用Ag/h-BN/Au三明治结构，通过标准光刻和溅射工艺制备。值得注意的是，顶部Ag电极采用干转移法形成范德华接触，避免了金属沉积过程中引入缺陷，保留了预定义缺陷类型/密度的高质量RS层。

结果与讨论

可调控的二维单晶h-BN空位密度

研究发现，当RS介质几乎无缺陷（n_SV=～1.0×10¹⁰ cm^-2）时，需要相对较高的能量来诱导h-BN的软击穿并随机创建导电路径，导致8.7 V的超高形成电压。随着缺陷密度增加，形成电压逐渐降低。具有中等n_SV（2.0-9.4×10¹³ cm^-2）的单晶h-BN显示出2.6-5.8 V的形成电压，表明导电路径更容易在缺陷区域形成。

空位密度依赖的忆阻行为

所有器件在形成初始导电路径后都表现出非易失性开关特性。当h-BN的本征缺陷密度为1.0×10¹⁰ cm^-2时，工作（置位和复位）电压最大，I-V曲线不稳定，循环间变化大。而具有故意引入缺陷（n_SV从2.0到9.4×10¹³ cm^-2）的单晶h-BN能有效限制导电路径，器件显示出稳定的I-V开关循环，工作电压低于±1 V。

单晶h-BN中的导电枝晶工程

扫描焦耳膨胀显微镜（SJEM）表征显示，在n_SV=6.5×10¹³ cm^-2的样品中，热膨胀点高度局域在圆形区域，半高宽为40 nm，表明存在高度受限的丝状通道，导致枝晶生长受到抑制。相比之下，n_SV=9.4×10¹³ cm^-2的样品显示出多个分布在3×3 μm区域的热膨胀点，表明丝状生长相对随机。

超低电压忆阻器

在最佳SV缺陷密度（n_SV=6.5±2.9×10¹³ cm^-2）下，器件的置位电压可低至26 mV。忆阻器表现出可重复的非易失性双极电阻开关行为，具有显著的均匀性。待机功耗（P_Standby=I_HRS×V_READ）低至4 fW（读取电压：1 mV时HRS电流为4.93 pA）。器件还表现出优异的保持特性，LRS和HRS电阻随时间衰减率在10⁴秒内可忽略不计。

超低I_cc下的非易失性多态开关

研究发现，即使在10 nA的超低I_cc下，也能实现稳健的非易失性多态，每次转换功耗仅为900 pW。器件的置位和复位电压保持在0.12和-0.03 V以下，显示出轻微的I_cc依赖性。即使在I_cc为10 nA时，器件仍保持10⁴的RS比。通过外推保持曲线，可以推断出包括一个HRS状态和五个LRS状态在内的六个电阻状态可以区分超长待机时间。

结论

为应对RS基忆阻器中众所周知的"功耗-保持困境"，本研究利用单晶二维介电材料的优势，通过导电枝晶轮廓调控的微观材料工程策略，取得了突破。通过在h-BN中引入具有优化n_SV的垂直排列导电纳米通道，限制了导电丝的随机形成，使忆阻器获得了卓越的性能。置位电压降至创纪录的26 mV，同时保持了10⁸的高开关比和长保持时间。功率效率显著提高（每次转换900 pW，待机4 fW，开关能量72 pJ）。此外，银纳米团簇在自限制通道中的捕获导致了在I_cc低至10 nA时的稳健非易失性和多电阻状态，并具有预期的长保持时间。