近日，南京航空航天大学郭万林院士/刘衍朋教授团队在Small期刊上发表了题为“Two-dimensional Memory Selectors with Giant Nonlinearity Enabled by Van der Waals Heterostructures”的研究论文。

基于范德华异质结构的高非线性二维存储选择器

导读：

由一个选择器与一个存储器（1S1R）组成的的交叉架构电阻存储器，在非易失性内存计算芯片和高密度存储器应用方面具有巨大潜力。为了防止不同单元间的串扰或漏电流，选择器往往必须具有出色的可调谐双极非线性。为此，南京航空航天大学郭万林院士团队刘衍朋教授课题组通过构筑石墨烯/氮化硼/二硒化钨基异质结开发出一种高性能二维选择器。得益于原子级干净的二维异质界面，选择器的非线性在工作温度为300 ~ 80 K区间均稳定在10²以上，为目前已知二维选择器中最优值。更为重要的是，在经历70,000个开关周期后，二维选择器没有明细退化的迹象，为进一步将二维选择器真正组装到现代存储器中铺平了道路。

图1. 石墨烯/氮化硼/二硒化钨基（Gr/hBN/WSe₂）选择器的结构表征

Gr/hBN/WSe₂选择器的隧穿输运研究

在所有测试温度下，隧道电流均表现出在低偏压下的忽略不计和超阈值时的指数上升现象。这种变化归因于低偏压下的直接隧穿向高偏压下Fowler-Nordheim隧穿机制的转换，使Gr/hBN/WSe₂选择器呈现出极佳的双极非线性。

图2. Gr/hBN/WSe₂选择器的隧穿输运及双极非线性分析

Gr/hBN/WSe₂选择器的工作机制

通过能带结构不难看出，石墨烯与WSe₂的能带对齐有利于Gr/hBN/WSe₂选择器获得良好的双极性。在低偏压区域，只有较少的载流子隧穿通过初始矩形势垒，这一过程只允许直接隧穿；而在高偏压下，WSe₂的能带弯曲减少了隧道势垒，从而有助于产生更高的导通电流密度。

图3. Gr/hBN/WSe₂选择器的工作机制

偏压调控的载流子输运

在正负偏压调控下，Gr/hBN/WSe₂选择器的载流子类型可以分别由N型和P型向双极性转变，而隧穿电流的幅值可进一步通过栅压增强。偏压和栅压对载流子输运的协同作用，为二维材料选择器向1S1R阵列的集成创造了更多的空间。

图4. Gr/hBN/WSe₂选择器的可调载流子输运

选择器开关行为和耐久性

Gr/hBN/WSe₂选择器展现出良好的耐久性以及环境稳定性，同时具备可调的工作电压，为器件面向实际应用奠定了基础。

图5. Gr/hBN/WSe₂选择器的工作演示

结论与展望

综上，本研究开发了Gr/hBN/WSe₂二维选择器，其双极非线性在室温下高达10²-10³，在80 K时高达10³-10⁵。选择器的非线性在超过10⁴个工作循环后没有衰减，并且对空气暴露具有很强的稳定性。直接隧穿和Fowler-Nordheim隧穿机制间的切换确保了器件的高非线性，而WSe₂和石墨烯的能带排列有助于计算双极性所需要的对称隧穿电流-电压曲线。更重要的是，通过偏压和栅压可以调控隧穿载流子的极性，为按需调整电荷极性和非线性提供了新的自由度。

作者和资助信息

第一作者为博士生王小钒，通讯作者为刘衍朋教授和郭万林院士。该研究得到了航空航天结构力学及控制国家全国重点实验室、纳智能材料器件教育部重点实验室、天元实验室、南航分析测试中心和南航高性能计算平台等的支持，以及国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、科工局稳定支持国防特色学科基础研究等项目的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202310158

X. Wang, R. Qiao, H. Lu, W. He, Y. Liu, T. Zhou, D. Wan, Q. Wang, Y. Liu^*, W. Guo^*, 2D Memory Selectors with Giant Nonlinearity Enabled by Van der Waals Heterostructures. Small 2310158, (2024)