Adv. Funct. Mater.: 通过化学破坏自组装Janus氧化石墨烯用于大面积高性能的忆阻器

结果显示:Ag/J-GO/Au忆阻器展现出优异的阈值型阻变开关行为,例如低泄漏电流(≈10-12A),低工作电压(≈0.3 V),高耐久性(>12,000 次),以及成功模拟了生物突触的部分典型可塑性行为。这项工作提供了一种获得大面积、连续和均匀Janus 2D薄膜的新策略,并验证了Janus 2D材料在固态微电子领域(电学仿生突触)中的新应用。

【研究背景】

双面神(Janus)结构二维(2D)材料由于其独特的界面特性(亲水/疏水性、正/负电性等),使其在光电器件、催化等领域得到广泛的关注和应用。然而,利用简单的方法制备大尺寸、高质量Janus结构2D材料是制约其可规模化应用的主要问题之一。

【成果简介】

本工作通过一种简易的方法(“化学破碎”+/水两相界面自组装)来获得大面积高质量的双面神结构氧化石墨烯(J-GO)薄膜,再将其作为中间层构筑了垂直结构(Ag/J-GO/Au)的忆阻器,并研究了其电学阻变特性和作为人工突触的可塑性等行为。结果显示:Ag/J-GO/Au忆阻器展现出优异的阈值型阻变开关行为,例如低泄漏电流(10-12A),低工作电压(0.3 V),高耐久性(>12,000 ),以及成功模拟了生物突触的部分典型可塑性行为。这项工作提供了一种获得大面积、连续和均匀Janus 2D薄膜的新策略,并验证了Janus 2D材料在固态微电子领域(电学仿生突触)中的新应用。相关成果以Self-Assembly of Janus Graphene Oxide via Chemical Breakdown for Scalable High-Performance Memristors为题发表在国际权威期刊Adv. Funct. Mater., 2023, DOI:10.1002/adfm.202302073.

Adv. Funct. Mater.: 通过化学破坏自组装Janus氧化石墨烯用于大面积高性能的忆阻器

【图文介绍】

Adv. Funct. Mater.: 通过化学破坏自组装Janus氧化石墨烯用于大面积高性能的忆阻器

1. 大面积J-GO薄膜的制备工艺流程。包括四个主要步骤:1) 通过使用十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)对多层GO薄片表面进行疏水改性;2) 表面改性的GONaOH溶液中超声处理,即化学破碎过程;3) J-GO薄片在油/水两相界面的自组装并形成连续的膜;4) 将生成的J-GO膜转移到目标基板上,最终获得具有亲水或疏水表面的薄膜。

Adv. Funct. Mater.: 通过化学破坏自组装Janus氧化石墨烯用于大面积高性能的忆阻器

2. J-GO薄膜的形貌和尺寸表征。a) 制备的J-GO分散液的光学图像;b) J-GO薄膜的TEM图;c) SiO2/Si上旋涂得非连续J-GO薄膜的SEM图(插入图是旋涂J-GO片层尺寸分布图,平均横向尺寸为≈810 nm; d)在油/水两相界面处形成连续的J-GO膜的光学图像;e) 局部放大的J-GO连续薄膜; f) 通过两相界面处转移得到的连续均匀J-GO薄膜的SEM图像。

Adv. Funct. Mater.: 通过化学破坏自组装Janus氧化石墨烯用于大面积高性能的忆阻器

3. J-GO薄膜的结构和电学特性。a) GOJ-GO亲水和疏水表面的傅里叶变换红外光谱图(FTIR);b) GOHDTMS疏水修饰GO、未修饰GOJ-GO薄膜的拉曼光谱图;c) 具未修饰GO、疏水和亲水表面GOX射线光电子能谱(XPS)全谱图和d) 碳谱。

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4. 基于J-GO的电子突触的人工突触特性。a) 4 V偏压下采集的J-GO薄膜CAFM电流图;b) 垂直结构Ag/J-GO/Au忆阻交叉阵列光学图;c) 在单个脉冲和多个脉冲下的兴奋性突触后电流(1 V/3 ms)d)连续200个脉冲(1.6-2.1 V)驱动的电流响应呈现典型的长时程可塑性;f)测得瞬态响应的开关时间为28 nsg) Ag/J-GO/Au电子突触脉冲耐久性循环测试(>12000);h) 20Ag/J-GO/Au器件的VsetVresetION/IOFF的统计分析,其中每个器件测试100次。

【个人简介】

惠飞,博士,直聘研究员,省高层次人才,2022年加入郑州大学材料科学与工程学院。2018年获西班牙巴塞罗那大学和苏州大学双博士学位,2019-2021年在以色列理工学院从事博士后研究。博士期间,先后到美国麻省理工学院(12个月)、英国剑桥大学(6个月)访学。主要研究领域是低维柔性材料和纳米电子学,发表SCI学术论文50余篇,包括Nature ElectronicsAdvanced Materials等。参与出版专著篇章1部,获授权国家发明专利2件,并担任多个国际学术期刊和会议的编委。获得2021年度国家优秀自费留学生奖学金、韩国Park Systems AFM奖学金、英国皇家化学会国际交流奖学金(RSC Research Mobility Grant)等。

刘培松,博士,河南大学讲师。2012年在黄淮学院获得学士学位,2015年在河南大学获得硕士学位,2018年在河南大学获得博士学位。201901-202112月在苏州大学从事博士后研究,202110月,加盟河南大学纳米材料工程研究中心。研究领域为杂化纳米材料,包括:水基纳米聚硅降压增注剂制备与减阻增油性能;Janus-SiO2的高效制备与驱油性能;超疏水表面的构筑方法与自清洁作用;有机无机复合介电材料的制备与阻变性能。主持省级科技攻关等省级项目3项、市校级项目3项。在Advanced MaterialsSmallACS Applied Materials & InterfaceApplied Surface Science等期刊上发表SCI论文15篇,申请国家发明专利11项(已授权8项),6项专利已转化实施。

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论文链接:

Self-Assembly of Janus Graphene Oxide via Chemical Breakdown for Scalable High-Performance Memristors

(Adv. Funct. Mater., 2023, DOI:10.1002/adfm.202302073)

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.20230207

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