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華東理工大學(xué)陳彧教授團(tuán)隊(duì)《ACS AMI》：水溶性聚噻吩共軛聚電解質(zhì)基瞬態(tài)憶阻器
2022-08-23  來(lái)源：高分子科技

  保護(hù)存儲(chǔ)在電子存儲(chǔ)器件中的敏感信息不被泄露的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)出能夠在緊急情況下迅速銷毀的瞬態(tài)電子器件。銷毀電子器件中存放信息的方式一般有機(jī)械銷毀、數(shù)據(jù)覆蓋（但可恢復(fù)）、高溫銷毀（300-1800℃）、化學(xué)腐蝕（常用濃度為55%~58%的濃氫碘酸等化學(xué)試劑）、高電壓擊穿毀損、消磁法(適用于磁性存儲(chǔ)介質(zhì)，至少要使用相當(dāng)于磁性介質(zhì)矯頑磁性5 倍的磁力)以及溶解活性層等方式。但在緊急狀態(tài)下很難快速實(shí)施前六種措施。通過(guò)水溶、光分解等手段快速溶解/破壞活性層的技術(shù)就成為了極端情況下保證信息安全的最后一道防線。


圖1：Al/PTT-NMI+Br-/ITO柔性憶阻器結(jié)構(gòu)及器件活性層被水迅速溶解的示意圖 


  近期，華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院結(jié)構(gòu)可控先進(jìn)功能材料及其制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳彧教授團(tuán)隊(duì)（www.chenyu.polymer.cn）合成了一種具有高度水溶性的聚噻吩共軛聚電解質(zhì)，并以其為活性層，成功地制備了一個(gè)柔性瞬態(tài)憶阻器：Al/PTT-NMI+Br-/ITO（圖1）。該器件在±3V的掃描電壓范圍內(nèi)顯示出典型的非易失性可擦寫(xiě)阻變存儲(chǔ)性能（圖2）。在±1V的小掃描電壓范圍內(nèi)則表現(xiàn)出憶阻性能，可以借此模擬生物系統(tǒng)的學(xué)習(xí)-記憶-遺忘功能和突觸增強(qiáng)/抑制特性。即使在各種彎曲狀態(tài)下，該器件也表現(xiàn)出良好的雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)阻變和憶阻效應(yīng)（圖3-5）。開(kāi)關(guān)與信息存儲(chǔ)機(jī)制可能與外加電場(chǎng)時(shí)離子遷移過(guò)程高度相關(guān)。由于材料在水中的溶解性可達(dá)到5mg/mL，用水沖洗后，制成的電子器件在 20 秒內(nèi)迅速損壞（圖6）。這種電子存儲(chǔ)器件是一種典型的瞬態(tài)器件，若經(jīng)電子封裝，則可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。此外，可溶性活性材料可以很容易地從其水溶液中加以回收并重新用于制造新的瞬態(tài)憶阻器。這項(xiàng)工作也為設(shè)計(jì)和構(gòu)筑能用水快速銷毀的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)提供了一個(gè)新的思路。相關(guān)成果以“Water-Soluble Polythiophene Conjugated Polyelectrolytes-based Memristor for Transient Electronics”為題在線發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces。華東理工大學(xué)博士研究生王可心為論文第一作者，課題組負(fù)責(zé)人陳彧教授為通訊聯(lián)系人，課題組張斌副教授為共同通訊作者。本項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委（51961145402, 51973061）和上海市科委（19ZR1413100、21QA1402100）等部門(mén)的經(jīng)費(fèi)資助。


圖2： (a) 樣品水溶液照片；(b) Al/PTT-NMI+Br-/ITO coated PET器件結(jié)構(gòu)示意圖；(c) PTT-NMI+Br-薄膜的導(dǎo)電原子力顯微鏡圖像（掃描尺寸：10×10 μm2）；(d) 器件的電流-電壓特性曲線；(e)在0.5V恒定電壓下，器件運(yùn)行的時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試；(f) 讀取脈沖對(duì)器件開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)電流的影響（插圖顯示用于測(cè)量的脈沖）；(g) 器件在±4V的開(kāi)關(guān)脈沖下的耐久性能。脈沖寬度=100ms；脈沖周期=300ms；（h）“寫(xiě)-讀-擦除-讀”循環(huán)操作下的脈沖電壓模式（黑色）和相應(yīng)的電流響應(yīng)（紅色）。


圖3： (a)不同彎曲狀態(tài)下的柔性存儲(chǔ)器件（左：壓縮狀態(tài)；右：拉伸狀態(tài)）；器件在（b）壓縮和（c）拉伸狀態(tài)下的電流-電壓特性；（d）50個(gè)不同器件在壓縮（紫色）、平整（綠色）和拉伸（粉色）狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)電壓和（e）開(kāi)啟與關(guān)閉狀態(tài)下的電流的箱線圖；（f）器件在重復(fù)彎曲應(yīng)力下的保留特性。


圖4：(a) Al/PTT-NMI+Br-/ITO器件在±1V掃描范圍內(nèi)的電流-電壓特性；在 (b) -1V 和 (c) 1V 處讀取的偏差電流和電壓掃描數(shù)之間的線性關(guān)系；器件在 (d) -1V 和 (e) 1V 脈沖電壓下的時(shí)間保持性能；(f) 連續(xù)升壓和降壓刺激下的器件電流變化；(g-k) “學(xué)習(xí)-遺忘-再學(xué)習(xí)-再遺忘”過(guò)程的演示。電壓脈沖的幅度、持續(xù)時(shí)間和周期分別為 1 V、10 ms 和 2s。在 -0.2 V 的小電壓下監(jiān)測(cè)電流響應(yīng)。


圖5：Al/PTT-NMI+Br-/ITO coated PET器件的頻率依賴的突觸增強(qiáng)和脈沖頻率依賴可塑性：（a）本工作使用的脈沖頻率示意圖；器件在10個(gè)不同頻率的脈沖刺激下(b)電流和(c)電流變化(ΔI)的變化過(guò)程;（d）器件與脈沖間隔相關(guān)的可塑性。雙脈沖易化（PTP）和強(qiáng)直后增強(qiáng)（PPF）的擬合公式為y=y0+Aexp(-x/t)，電壓脈沖的幅值為1 V，持續(xù)時(shí)間為10 ms。用-0.2 V的小電壓監(jiān)測(cè)電流響應(yīng)。


圖6：Al/PTT-NMI+Br-/ITO器件的活性層在20s內(nèi)被水溶解過(guò)程的照片。


  我國(guó)集成電路工業(yè)面臨著美國(guó)的制裁，所有關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵材料都在禁運(yùn)之列。突破基于馮諾依曼架構(gòu)的算力瓶頸和摩爾定律限制，已經(jīng)成為后摩爾時(shí)代人工智能芯片領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新方向。為了解決卡脖子問(wèn)題，陳彧教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)家基金委重點(diǎn)基金、國(guó)際合作基金等項(xiàng)目資助下，長(zhǎng)期致力于非易失性高分子阻變存儲(chǔ)和憶阻器功能材料研究工作，獲得了一些原創(chuàng)性的研究成果：1)通過(guò)二維有機(jī)共軛策略在國(guó)際上首次制備了良率高達(dá)90%的納米級(jí)高分子憶阻器，在100納米尺度范圍內(nèi)發(fā)生了均勻的憶阻調(diào)變，器件響應(yīng)時(shí)間小于20納秒，功耗僅10 fJ/bit，開(kāi)關(guān)電壓僅為0.35伏。利用單一聚合物憶阻器實(shí)現(xiàn)了多值信息存儲(chǔ)與處理功能的集成，為有機(jī)高分子憶阻器的小型化、高密度與低功耗集成提供了新的思路；2）設(shè)計(jì)制備了一系列高分子共價(jià)修飾的石墨烯及類石墨烯納米材料，實(shí)現(xiàn)了這些納米材料的溶液加工，在國(guó)際上制備了第一個(gè)基于氧化石墨烯的高分子非易失性阻變存儲(chǔ)器件；3) 提供了一種通過(guò)控制聚合物薄膜形貌實(shí)現(xiàn)高性能聚合物存儲(chǔ)器件性能的有效方法。將偶氮基團(tuán)的電荷捕捉和分子構(gòu)象變化效應(yīng)引入聚乙烯咔唑側(cè)鏈，構(gòu)建了新型具有給體-勢(shì)阱-受體的結(jié)構(gòu)單元，促進(jìn)了器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。迄今為止已在Nature Commun. (2019, 10, 736；2021, 12, 1984 )、Angew. Chem. Int. Ed. (2018, 57:4543-4548)、Chem. Soc. Rev.(2012, 41(13): 4688– 4707）、Adv. Mater.( 2010, 22, 1731–1735)等SCI期刊上發(fā)表影響因子大于5的信息存儲(chǔ)論文50余篇, 獲授權(quán)發(fā)明專利三項(xiàng)。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c04752

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