Angew. Chem. :具有氧化还原活性的薁基二维共价有机框架忆阻器

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与生物大脑的神经突触类似,忆阻器(Memristor)能够根据其任意时刻的阻态来记录所受施的电压和所流经的电荷的变化,兼具记忆和逻辑运算的功能,理论上可以通过忆阻器完全替代现在所有的数字逻辑电路。大量文献表明这类器件具有结构简单、速度快、功耗低和与CMOS工艺兼容等优点,是实现高密度存储以及以数据为中心的存内计算和感知计算技术的优势基础器件。


作为具有本征氧化还原活性的不对称共轭结构单元,薁已经广泛用来构建分子电子器件。分子内缺电子的七元碳环和富电子的五元碳环之间的推拉电子特性不仅提供了有助于电荷传输的低的芳香离域能,而且还能调控从电子给体组份到电子受体组份的电荷传输行为。近日,上海华东理工大学陈彧教授团队(www.chenyu.polymer.cn)以1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和薁-1,3-二甲醛作为起始材料,首次通过液-液界面聚合的方式制备了一种新型的基于薁的二维共价有机框架薄膜材料COF-Azu,这种材料采取了ABC堆积的模式,展现出高度有序的内部正方形晶格结构,晶格条纹间距约为0.307纳米,与计算的0.328纳米的层间距值很接近。



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图1. COF-Azu材料的制备与生长过程示意图

忆阻器通常包括数字型忆阻器和具有模拟开关行为的忆阻器两大类,前者具有数字型电流开关和大的ON/OFF电流开关比特征,能根据施加在器件上电压的不同,使材料的电阻在高阻态和低阻态间发生相应变化,从而开启或阻断电流流动通道,利用这种性质储存各种信息,是一种可显著提高耐久性和数据传输速度的可擦写内存技术。而后者通常具有相对低的ON/OFF电流开关比,器件的电阻或电导能发生连续或递增式变化,能应用于神经突触模拟和神经形态计算领域。本文中制备的Al/COF-Azu(160 nm)/ITO 忆阻器展现出非易失性阻变开关性能。开启和关闭电压分别为-0.50伏和+1.95V 伏,ON/OFF电流开关比仅仅只有50. 因为材料的LUMO能级与铝顶电极之间的能级差(1.99 eV)大于材料的HOMO能级与ITO底电极之间的能级差(0.64 eV), 说明制备的COF-Azu材料是典型的P型材料,在器件导电过程中空穴传输占据主导地位。作者对材料的忆阻机理进行了初步探讨。

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图2.器件性能与图像识别

对器件施加一个脉冲序列(脉冲幅度:0.1/-0.1伏;脉冲宽度:50毫秒;脉冲间隔:20 毫秒),观察到的器件电流随着时间逐渐增加或降低。这种现象与生物突触的短/长时程塑性(STP/LTP)很相似。与预期的那样,器件点阵中的每一个忆阻器单元均展现出模拟开关行为。器件的导电性可以在 5 ~75 μA的操作窗口内连续调节,从而实现低功耗单片集成。在任意选取的100个忆阻器中测试了可靠度高的16级导电态,这些导电态之间的导电态分布彼此不相重叠,意味着制备的器件具有优异的多级存储可靠性。利用这些性质,作者构建了一个简单的卷积神经网络,用以实现图像识别。经过8次的训练后获得的图像识别准确率达到80%。

文信息

Redox-Active Azulene-based 2D Conjugated Covalent Organic Framework for Organic Memristors

Zhizheng Zhao, Prof. Mohamed E. El-Khouly, Qiang Che, Fangcheng Sun, Dr. Bin Zhang, Prof. Haidong He, Prof. Yu Chen

文章的第一作者是华东理工大学的博士研究生赵智峥


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202217249




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