中科院金屬所等制備出柔性碳納米管傳感存儲一體化器件
電荷耦合器件(CCD)與電荷存儲器件(Memory)作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中兩個(gè)獨(dú)立分支分別沿著各自的路徑發(fā)展,同時(shí)具備光電傳感和存儲功能的原型器件尚未見報(bào)道。近日,中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心科研人員與國內(nèi)多家單位合作,在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)在線發(fā)表題為《柔性碳納米管傳感-存儲器件》(A flexible carbon nanotube sen-memory device)的研究論文。
科研人員提出了一種基于鋁納米晶浮柵的碳納米管非易失性存儲器,具有高的電流開關(guān)比、長達(dá)10年的存儲時(shí)間以及穩(wěn)定的讀寫操作,多個(gè)分立的鋁納米晶浮柵器件具有穩(wěn)定的柔性使役性能。更重要的是,電荷在氧化生成的AlOx層中的隧穿機(jī)制由福勒-諾德海姆隧穿變成直接隧穿,從而實(shí)現(xiàn)光電信號的傳感與檢測;基于理論計(jì)算分析與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì),制備出32×32像素的非易失性柔性紫外光面陣器件,首次實(shí)現(xiàn)了光學(xué)圖像的傳感與圖像存儲,為新型柔性光檢測與存儲器件的研制奠定了基礎(chǔ)。 科研人員采用半導(dǎo)體性碳納米管薄膜為溝道材料,利用均勻離散分布的鋁納米晶/氧化鋁一體化結(jié)構(gòu)作為浮柵層與隧穿層,獲得高性能柔性碳納米管浮柵存儲器(圖1),實(shí)現(xiàn)在0.4%彎曲應(yīng)變下器件讀寫與擦除之間的電流開關(guān)比高于105,存儲穩(wěn)定性超過108s(圖2)。同時(shí),較薄氧化鋁隧穿層可使在擦除態(tài)“囚禁”于鋁納米晶浮柵中的載流子在獲得高于鋁功函數(shù)的光照能量時(shí),通過直接隧穿方式重新返回溝道之中,使閉態(tài)電流獲得明顯的提升,完成光電信號的直接轉(zhuǎn)換與傳輸,實(shí)現(xiàn)集圖像傳感與信息存儲于一身的新型多功能光電傳感與存儲系統(tǒng)(圖3)。 圖1. 器件設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)。a)器件結(jié)構(gòu)示意圖;b)均勻離散分布的鋁/氧化鋁納米晶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與c)碳納米管薄膜溝道材料的SEM圖;d)溝道中電荷密度分布仿真;e)鋁納米晶表面形貌圖;f)碳納米管薄膜與浮柵層結(jié)構(gòu)的截面TEM與元素分布圖;g)存儲窗口。 圖2. 柔性器件電學(xué)性能與柔性表征。a)柔性器件結(jié)構(gòu)示意圖與b)實(shí)物圖;c)鋁納米晶/氧化鋁一體化結(jié)構(gòu)的條件優(yōu)化;d)器件保持特性與e)循環(huán)性能表征;器件在f)不同彎曲應(yīng)力與g)次數(shù)下的柔性表征。 圖3. 器件光電響應(yīng)與圖像存儲。a)柔性傳感存儲器件;b)器件結(jié)構(gòu)單元;c)不同波長的光響應(yīng)特性;d-g)器件光存儲特性表征。 該項(xiàng)研究工作由金屬所孫東明和曲庭玉提出設(shè)計(jì)構(gòu)思,在中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員邱松、李清文,吉林大學(xué)教授王偉以及金屬所的科研人員共同合作下完成。曲庭玉與孫隕開展了器件制備、電學(xué)測量和數(shù)據(jù)分析工作,陳茂林進(jìn)行了電子束曝光等器件工藝研究,邱松、李清文合成了半導(dǎo)體性碳納米管溶液,劉志博進(jìn)行了樣品的透射電鏡表征,譚軍開展了聚焦離子束等樣品加工。所有作者共同參與了數(shù)據(jù)分析討論及論文撰寫工作。曲庭玉、孫隕、陳茂林為共同第一作者,邱松、韓拯、成會明、孫東明為共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院、金屬所、沈陽材料科學(xué)國家研究中心、青年千人計(jì)劃和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助。 論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907288 |