非挥发性电阻开关,也称为忆阻器 1 效应,即电场改变双端器件的电阻状态,已成为高密度信息存储、计算和可重构系统 2 – 9 开发中的一个重要概念。过去十年,非挥发性电阻开关材料(如金属氧化物和固体电解质)取得了实质性进展。长期以来,人们认为漏电流会阻止在纳米薄绝缘层中观察到这种现象。然而,最近在过渡金属二硫属化物 10, 11 和六方氮化硼 12 夹层结构(也称为原子阻断器)的二维单分子层中发现的非挥发性电阻开关推翻了这种观点,并由于尺寸缩放的好处增加了一个新的材料维度 10, 13。我们在此以单层 MoS 2 为模型系统,阐明了原子片中切换机制的起源。原子成像和光谱表明,金属取代硫空位会导致电阻发生非挥发性变化,这得到了缺陷结构和电子状态计算研究的证实。这些发现提供了对非挥发性切换的原子理解,并开辟了精确缺陷工程的新方向,精确到单个缺陷,朝着实现最小的忆阻器的方向发展,以应用于超密集存储器、神经形态计算和射频通信系统 2、3、11。通过结合扫描隧道显微镜/扫描隧道光谱 (STM/STS) 和局部传输研究,我们观察到硫空位(MoS 2 单层中的主要缺陷)在其天然形式下不起低电阻路径的作用,这与金属氧化物存储器中氧空位的影响形成鲜明对比。 然而,从底部或顶部电极迁移的金属离子(例如金离子)可以取代硫空位,产生导电的局部态密度 (LDOS),从而驱动原子片进入低阻状态。 在反向电场下去除金原子后,缺陷恢复其初始空位结构,系统返回到高阻状态。 这种导电点切换机制类似于在原子级上形成导电桥存储器 14。然而,它本质上是不同的,也是独一无二的,因为单个金属离子填充了晶格中的单个空位,而不是通过高度无序的材料形成金属桥。我们发现硫空位在 2 纳米间距处稳定,导致忆阻器密度约为每 1 个单位
主要关键词