本文介绍了温州大学化学与材料工程学院等团队在二维材料基忆阻器件方面的研究成果。团队提出了一种利用化学气相沉积技术合成具有受控晶界位置的星形MoS2纳米片的新方法，并将其应用于忆阻器制作。研究表明，基于晶界的MoS2忆阻器的设置电压显著降低，显著降低了功耗。这些发现为高性能忆阻器的开发及其在集成计算和存储系统中的应用奠定了基础。
随着计算技术的不断进步，人们对集成计算和存储的设备的需求日益增长。忆阻器因能够集成计算和存储，且可用于创建新的计算范式，备受科学界和工业界的关注。二维材料，特别是MoS2，因其极薄的厚度和独特的异质集成能力，在集成计算和存储的忆阻切换器件中具潜力。然而，晶界的随机性和形成的不可控性给器件的制作带来了挑战。
温州大学化学与材料工程学院等团队提出了一种合成具有受控晶界位置的星形MoS2纳米片的新方法，并应用于忆阻器制作。这种方法允许研究者直接在特定位置的晶界上制作忆阻器，利用GBs的独特性质。基于GBs的MoS2忆阻器的平均设置电压显著降低，与单晶MoS2相比，降低了16倍。
研究表明，通过控制晶界位置，可以显著降低忆阻器的设置电压和功耗。这一改善可归因于通过GBs的金属离子迁移势垒的降低。此外，团队通过相场模拟揭示了星形MoS2的生长机制，并通过第一性原理计算了金属离子在晶界处的扩散势垒。
这项研究不仅为理解晶界在降低设置电压和功耗方面的作用提供了有价值的见解，而且为开发高性能的忆阻器设备和推动其在集成计算和存储系统中的实际应用奠定了基础。此外，该研究为二维材料基忆阻器件的进一步发展提供了新的思路和方法。
为了方便各位同学交流学习，解决讨论问题，我们建立了一些微信群，作为互助交流的平台。
2.告知:姓名-课题组-研究方向，由编辑审核后邀请至对应交流群(生长，物性，器件)；
欢迎投稿欢迎课题组投递中文宣传稿，免费宣传成果，发布招聘广告，具体联系人：13162018291（微信同号）
【研究背景】
随着计算技术的不断进步，人们对集成计算和存储的设备的需求日益增长。忆阻器作为一种很有希望的器件，由于能够集成计算和存储，且可用于创建一种新的计算范式，因而备受科学界和工业界的关注。二维材料，特别是以MoS
2
为代表的过渡金属硫族化合物（TMDs），因其极薄的厚度和独特的异质集成能力，可以作为集成计算和存储的忆阻切换器件的高潜力平台。在TMDs中的各种微纳米尺度缺陷结构中，晶界（GBs）作为最重要的结构之一，具有巨大的潜力，但由于它们的随机分布，这给晶界基器件的制作和深入研究带来了挑战。然而，晶界的随机和形成的不可控性给器件的制作带来了挑战。因此，实现具有特定位置晶界的TMDs材料对于阐示晶界与器件性能之间的关系至关重要。另外，晶界在二维材料基忆阻器件中扮演的角色尚待阐明。
【成果介绍】
为此，
温州大学化学与材料工程
学院王佩剑副教授、张礼杰教授、香港大学李连忠教授
等
提出了一种新颖的方法，利用化学气相沉积（CVD）技术合成具有受控晶界位置的
星形MoS
2
纳米片
。对晶界位置的精确控制使得研究者可以直接在特定位置的晶界上制作忆阻器，以利用GBs的独特性质。值得注意的是，基于GBs的MoS
2
忆阻器的平均设置电压显著降低，与单晶MoS
2
相比，降低了16倍。这一改善可以归因于通过GBs的金属离子迁移势垒的降低，这一点通过理论计算得到了进一步验证。
本工作不仅提出了一种合成具有受控晶界位置的TMDs以用于忆阻器制作的新方法，而且首次系统阐明了GBs在降低设置电压以及功耗方面的作用及机制。这些发现有助于
加深晶界在忆阻器中作用的认知，推进忆阻切换器件的发展，并为它们在集成计算和存储系统中的实际应用提供了新途径
。
论文以“
Advancing High-Performance Memristors Enabled by Position-Controlled Grain Boundaries in Controllably Grown Star-Shaped MoS
2
”为题发表在
国际著名期刊《
Nano Letters
》
上。
【图文速递】
图1. 星形MoS
2
的生长设置和表征：a. 使用n-MoO
3
粉末在SiO
2
/Si衬底上可控合成星形MoS
2
纳米片的CVD装置示意图。b. 典型的星形MoS
2
纳米片光学显微镜（OM）图像。c. 星形MoS
2
的典型光致发光（PL）谱，显示A-激子和B-激子的峰。插图为星形MoS
2
纳米片的A-激子高分辨率PL峰位置映射图像。d. 星形MoS
2
的典型拉曼光谱，显示E
2g
1
和A
1g
振动模式。插图为星形MoS
2
纳米片的E
2g
1
拉曼模式高分辨率峰面积映射图像。
e. 星形MoS
2
纳米片在SiO
2
/Si衬底上的原子力显微镜（AFM）图像及其高度轮廓。比例尺为5微米。
图2、可控生长和机理分析：a. 在不同n-MoO
3
:MoO
3
比例下，在蓝宝石衬底上生长的MoS
2
纳米片的典型光学显微镜（OM）图像（i-vi）。比例尺为20微米。b. 不同n-MoO
3
:MoO
3
比例下，星形MoS
2
纳米片的统计百分比。c. 在相同条件下，n-MoO
3
和MoO
3
粉末的热重分析。d. 在相同条件下蒸发的n-MoO
3
和MoO
3
的每10 × 10微米区域的统计核密度。 e. 相场模拟模拟了星形MoS
2
随生长时间的演变（i-iii）。不同颜色用于区分相邻的晶粒。t为唯象的无量纲时间。
为了探究进一步探究星形MoS
2
生长机制，作者使用不同比例MoO
3
混合源进行生长，发现
纳米化的MoO
3
源
对于
生长高比例星形MoS
2
具有促进作用。
并且作者使用热重分析测试和形核位点密度统计，发现纳米化的MoO
3
具有显著降低的熔点及更高的形核位点密度。作者对形核位点密度增高情况下，星形MoS
2
的生长过程也进行了相场模拟。
图3 、晶界表征：a. 典型星形MoS
2
纳米片的光学显微镜（OM）图像。比例尺为2微米。b. 对应的SHG高分辨率映射图。比例尺为2微米。c. 极坐标SHG强度随偏振器角度变化图。黑色或红色图表示平行或垂直取向偏振。d. 星形MoS
2
的低倍透射电子显微镜（TEM）图像。e. 从d图中红色框标记区域获取的选区电子衍射（SAED）图案。f. d图中晶界的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。g, h. 从d图中绿色和黄色框标记区域获取的HAADF-STEM图像。插图为对应的SAED图案。
图3b展示了星形MoS
2
的SHG扫描，发现晶界具有特定位置：从中心向六个肩位呈现对称放射状分布。球差电镜表征表明晶界两侧的晶畴呈现镜像对称分布，且晶界上的孔洞原子尺度结构为4-8以及5-7环结构。
图4、Ag/MoS
2
/MLG忆阻器：a. 器件制作过程示意图。ⅰ 底部多层石墨烯（MLG）电极的干法转移和金引线的准备。ⅱ 将星形MoS
2
转移到MLG上。ⅲ 通过激光直写光刻和沉积制备银顶电极。ⅳ 已制作的Ag/星形MoS
2
/MLG忆阻器示意图。b. Ag/星形MoS
2
/MLG忆阻器在50个周期内的I-V切换曲线。红色高亮线为典型的I-V切换曲线。c. 设置电压（红线）和复位电压（黑线）的累积概率图。d. 通过50次I
−
V扫描周期的HRS和LRS电阻直方图。e. 执行1 V写入操作和-3 V擦除操作后的LRS（红点）和HRS（黑点）电阻测量（脉冲宽度：0.5秒）。读电压为0.2 V。插图为电压信号波形。f. 在环境条件下，HRS和LRS的测量保持时间（读电压：0.2 V）。g. 在忆阻器切换后，星形MoS
2
纳米片上方顶电极的c-AFM表征，显示导电通道重叠在红箭头标记的晶界位置上。h. 晶界和单晶MoS
2
忆阻器的平均设置电压。i. 银离子在4-8环中的扩散势垒第一性原理计算结果。
值得强调的是，
有了确定位置晶界的材料，可以方便地构筑晶界基忆阻器，而无需通过额外的晶界可视化手段。
可以利用星形MoS
2
材料结合干法转移方便地构筑忆阻器件
。器件测试结果表明（图4）器件具有较好的直流循环及脉冲读写特性、好的时间保持性。
平均设置电压相较于单晶形成的忆阻器下降约16倍，从而有效降低了功耗。与文献比较，开关比和设置电压均占优。通过
电流AFM（cAFM）
表征验证了导电细丝形成集中于晶界处。进一步地，作者
通过第一性原理计算，发现无论是4-8环或5-7环结构，Ag、Cu等活性金属离子的迁移势垒
相较于单晶结构均有显著下降。直观上理解，晶界处具有更大的孔洞，有利于活性金属离子的迁移，从而能够降低设置开启所需要的功和设置电压。
