国立阳明交通大学吴文伟教授Advanced Functional Materials：MoTe2/石墨烯忆阻器中的电致相变与突触功能

研究背景

阻变随机存储器（RRAM）凭借高可扩展性、低功耗和超快开关速度，被视为下一代非易失存储与类脑计算硬件的重要候选。然而，基于TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂、SiO_x等金属氧化物的传统RRAM，其工作大多依赖Ag⁺、Cu²⁺阳离子或氧离子的迁移，导电细丝的形成与断裂具有内禀随机性，由此带来开关电压涨落、阻态波动甚至器件失效；随着器件尺寸持续微缩，抑制漏电流、维持器件间一致性也变得愈发困难。

二维过渡金属硫属化合物（2D TMDs）为此提供了另一条技术路线。原子级厚度与范德华层间作用赋予其优异的形貌与厚度均匀性，而本征较低的电子态密度使阻变可在纳安以下的极低电流水平发生，显著降低功耗。更关键的是，TMD具有丰富的多形性：不同堆垛方式分别对应半导体相、半金属相与金属相，且各相之间能量差很小，使”相工程”成为调控电学行为的有效手段。二碲化钼（MoTe₂）在其中尤为突出：带隙约为0.94 eV，低于多数二维半导体，可降低阻变所需电压；介电常数在常见二维材料中位居前列，有利于低压操作；其2H→1T′相变能仅约44 meV，为TMD家族中最低，因而半导体相到金属相的转变可由电场、电子束、激光辐照或应变等多种外场轻易触发。

与VO₂、NbO₂等经历Mott型金属—绝缘体转变（易失且对热扰动敏感）以及Ge₂Sb₂Te₅等依赖”熔化—再结晶”的相变存储材料不同，MoTe₂的2H相与1T′相均为晶态，二者原子排布仅有细微差异，相变通过局域、协同的原子滑移完成，因而更快速、更可逆、热稳定性更好。但此前对该类器件的理解多停留在宏观电学层面：相变究竟发生在何处、是否伴随化学计量比变化、如何与丝状导电通道机制加以区分，仍缺乏原子尺度的直接证据；同时，脉冲耐久性、模拟态电导可调性与时序依赖可塑性等器件级验证也有待系统开展。

成果简介

近日，国立阳明交通大学吴文伟教授团队，在垂直结构Au/Ti/MoTe₂/石墨烯忆阻器中实现了半导体2H相与金属1T′相之间的电致可逆相变，其中石墨烯电极以侧向接触方式引出。开关过程伴随在Ti电极一侧形成一层薄的非晶MoTe₂界面区，该区域富含缺陷，被认为有利于相变的可逆演化与电导的渐进调制。

器件表现出清晰的双极性阻变，开关比达10⁵–10⁶，保持时间超过10⁵ s，脉冲耐久性超过10⁵次，SET与RESET转换时间均低至30 ns，单次开关能耗分别约为1.29 nJ与1.83 nJ；长时程增强/抑制、双脉冲易化与脉冲时序依赖可塑性等关键突触功能亦被可靠模拟。结合导电原子力显微镜（C-AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、高分辨透射电镜与选区电子衍射，以及原子尺度STEM-EDS/EELS等关联表征，作者证实阻变源于电场与焦耳热耦合驱动的”非晶/2H ↔ 非晶/1T′”可控相变，且全过程不伴随可检测的化学计量比变化。

图1 垂直Au/Ti/2H-MoTe₂/石墨烯忆阻器的结构与材料表征。(A) 器件结构示意图。(B) 基于2H-MoTe₂的初始器件光学显微图像。(C) 初始2H-MoTe₂薄片的拉曼光谱，约174和234 cm⁻¹处的峰分别对应2H相的A_1g（面外）与E_2g（面内）振动模式。(D) 初始器件的低倍截面透射电镜图像，MoTe₂与石墨烯叠层厚度分别约为46 nm和29 nm，界面平整无裂纹。(E) 取自(D)中方框区域的高分辨图像，(002)与(1̄20)面间距分别为7.04 Å和1.77 Å。(F) 选区电子衍射花样，与钼辉矿型六方结构（空间群P6₃/mmc）沿[210]晶带轴一致。(G,H) 器件截面的HAADF-STEM图像及原子分辨图像，清晰显示2H相三棱柱配位的堆垛方式。(I) 由(H)获得的快速傅里叶变换衍射花样，符合2H点阵对称性。(J–N) Au、Ti、Mo、Te、C的能谱元素分布图，各元素分布均匀，无可检测的互扩散。

总结展望

该工作在垂直Au/Ti/MoTe₂/石墨烯忆阻器中证实了半导体2H相与金属1T′相之间的电致可逆相变，并在顶电极附近形成稳定的非晶MoTe₂界面层。器件开关比接近10⁶、保持时间超过10⁵ s、开关速度低至30 ns、脉冲耐久性超过10⁵次，并可靠模拟了长时程增强、长时程抑制、双脉冲易化与脉冲时序依赖可塑性。关联表征表明，开关由电场与焦耳热耦合诱导的2H↔1T′结构转变主导，而非丝状离子迁移，且相变过程中化学计量比保持不变，具有成分不变的本征特征。

值得注意的是，原本可能被视为不可逆退化标志的非晶层，实际上作为富缺陷、结构顺应的界面区参与并稳定了开关过程：其提供的缺陷辅助输运通道有助于电导的渐进调制，为所观测到的双脉冲易化与时序可塑性提供了合理的微观基础。展望未来，该器件目前基于机械剥离与PDMS干法转移制备，更适合原理验证；后续需发展晶圆级MoTe₂/石墨烯生长或直接集成工艺，以评估该架构的可扩展性。此外，电场与焦耳热各自贡献的定量解耦、以及从短时程易化到长时程记忆巩固的定量演示，仍有待进一步研究。

文献链接

https://doi.org/10.1002/adfm.78178