阻态阈值转变器件是一种易失性忆阻器，在新型微电子器件中具有重要的应用。例如，其可以作为新型阻态存储器中的选通器与存储器构成1S1R结构，可避免十字交叉阵列中存在的严重的串扰电流问题，实现高密度信息存储。阈值转变器件还可以用于模拟人工神经行为，比如基于漏电积分点火(Leaky Integrate and Fire，LIF)模型可实现复杂的人工神经计算行为。这种类脑神经计算行为，可以实现存算一体，拥有极高的并行度和超低功耗的特点，被认为是解决传统计算机架构瓶颈的有效途径。因此，阈值转变器件相关研究是当前新型电子器件前沿领域的热点方向之一。
近日，复旦大学光电研究院褚君浩院士团队黄海课题组在ACS Nano上发表题为《Robust Threshold-Switching Behavior Assisted by Cu Migration in a Ferroionic CuInP2S6 Heterostructure》的封面论文，报道了一种基于二维离子铁电体铜铟磷硫(CIPS)材料的新型阈值转变器件。研究生钟志鹏为第一作者，黄海青年研究员为通讯作者。
该工作首先研究了层状CIPS材料的铁电特性，压电力响应显微镜结果显示CIPS中铁电畴分布具有不连续性，分析认为该性质与铜离子的迁移运动有关；接着对CIPS材料的离子导电性行为进行了系统研究，探究了电场、光照以及温度对离子导电特性的影响；为了实现对铜离子迁移运动的有效控制，作者进一步设计构建了基于少层石墨烯、CIPS以及金属铜电极的三明治结构器件，结果显示该器件呈现出稳定的阈值转变功能和优异的循环稳定性，开关比达104，并具有较小的操控电压，性能优于多种传统材料忆阻器。
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图1.Gr/CIPS/Cu器件的阈值转变特性
通过变温电学测试以及拉曼光谱分析，作者对器件的阈值转变机理进行了分析，发现了一种新的不同于传统导电细丝模型的阻态变换机制，即在偏压电场的驱使下，Cu离子会发生漂移运动，使得CIPS功能层中的铜离子耗尽，从而导致该功能层从绝缘态转变为金属态；当偏压减小时，由于铜离子浓度差的存在，铜离子的扩散运动又使得功能层材料恢复为绝缘态，而铜电极的选用有效加强了铜离子/原子的扩散运动。这种基于离子漂移与扩散运动的阻态转变机制可避免导电细丝形成过程的随机性，提高忆阻器件的循环稳定性，可适用于其他离子型忆阻器件以提高其性能。研究结果显示二维离子铁电体CIPS在信息器件中具有重要应用前景。
图2. Gr/CIPS/Cu器件阻变机理
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委等项目的资助与支持。文章信息Zhong et al., ACS Nano (2023) doi:10.1021/acsnano.3c02406.
备注：目前团队因科研工作需要，正面向海内外招聘优秀博士后研究人员和科研助理，欢迎有意从事新型光电子器件与物理研究的青年才俊加盟。
