二硒化鎢納米片基阻變存儲器研究

摘要：在新一代信息存儲技術中，阻變存儲器（Resistive Randomm Access Memory，RRAM）彰顯出無可比擬的優勢。二硒化鎢（WSe2）作為典型的過渡金屬硫屬化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMDCs），憑借其獨特的光電性質受到廣泛關注。構建了基于WSe2納米片的RRAM器件并展現出典型的電阻開關特性，具備良好的數據保持特性，表明WSe2納米片在構建信息存儲器件方面具有巨大的潛力。

關鍵詞：阻變存儲器；二硒化鎢；拉曼光譜；吸收光譜

一、前言

阻變存儲器是一種廣泛應用的存儲器，具有簡單的金屬－絕緣體－金屬（MIM）三層夾層結構。通過施加不同的電壓偏置，其電阻可以在高電阻狀態（High-impedance state，HRS）和低電阻狀態（Low-impedance state，LRS）之間可逆變化。這兩種狀態可以在二元系統中代表“1”和“0”，并能通過簡單的外圍電路輕松實現。隨著二維（2D）材料的不斷發展，基二維層狀納米片的阻變存儲器因其低功耗和高性能而受到廣泛研究[1]。此外，二維材料為構建原子精度尺度的電子器件提供了可行的方法，可進一步制造基于各種范德華（vdW）異質結構的阻變存儲器件。近年來，大量的二維材料應用到了電子信息器件中，從石墨烯半金屬[2]，到過渡金屬二鹵化合物（TMDCs）半導體[3]，再到六方硼絕緣體[4]。其中，二硫化鉬作為TMDCs的代表，是阻變存儲器中研究最廣泛的二維材料。從2015年報道的第一個門可調諧憶阻器到2018年首次展示多終端記憶晶體管，基于二硫化鉬阻變器[5]引起了從科學研究到技術應用的廣泛關注。與二硫化鉬類似，WSe2具有層數相關帶隙，其間接帶隙在單層中變化為直接帶隙[6]。另一方面，多層WSe2表現出雙極性輸運特性，由于不可避免地存在S空位，表現出與n型二硫化鉬不同的阻變特性[7] 。此外，由于雙極性性質和低摻雜水平二維層狀WSe2具有較強的自旋/谷耦合，顯示了替代新谷電子和自旋電子的可能性，為制造基于獨特二維層WSe2材料的阻變存儲器，探索新的阻變行為創造了機會。然而，基于二維層狀WSe2的阻變存儲器研究仍然有限[8]。

近年來，原子厚度極薄的二維材料作為阻變介質層被廣泛應用于憶阻器件中[9]。其中，WSe2作為TMDCs的典型代表，既有n型和p型導電性，又具備優異的光電性能[10]，因此常常在阻變存儲器中進行研究。WSe2二維材料以其獨特的性質而成為信息存儲器件的理想選擇。因此，提出了一種基于WSe2納米片的阻變存儲器，其基本結構為Al/WSe2/ITO，中間介質層為WSe2納米片薄膜，Al和ITO作為頂電極和底電極。該阻變存儲器具有優良的開關特性和良好的保持特性。因此，基于二維WSe2納米片的阻變存儲器可能成為未來信息存儲器件的潛在候選材料。

二、實驗部分

（一）Al/WSe2/ITO制備

ITO導電玻璃先后用無水乙醇和去離子水超聲清洗各15分鐘，然后用高純度氮氣吹干。接著，將干燥的ITO導電玻璃置于勻膠機上，滴加濃度為0.5 mg/mL的WSe2納米片分散溶液進行旋涂。初始階段以500 rpm低速旋轉5秒，使溶液均勻鋪展，隨后將轉速提升至1000 rpm并持續60秒。此過程重復三次，以通過離心力去除多余溶液，并促使薄膜均勻固化。完成二維WSe2層的制備后，采用真空熱蒸發沉積技術，通過掩模板在WSe2/ITO上沉積直徑0.2mm、厚度80nm的規則圓盤狀Al電極陣列，最終成功制備出Al/WSe2/ITO阻變存儲器件。

（二）測試與表征

采用雙探針接觸法，在常溫條件下使用半導體參數分析儀（Keithley 2400A-SCS）對Al/WSe2/ITO器件進行電學性能表征。兩根探針分別連接至兩個電極，Al作為頂電極，ITO作為底電極，并采用直流電壓進行實驗操作。WSe2納米片薄膜的厚度通過光譜橢偏儀（J.A. Woollam Co.， Inc.， M2000 VI）估算為75nm。拉曼光譜通過Thermo Fisher高分辨率共聚焦拉曼顯微鏡測量獲得。吸收光譜則通過紫外可見分光光度計（U-3310，Hitachi）進行測量。

三、結果與分析

WSe2是一種典型的過渡金屬二硫屬化物（TMDs），屬于六方晶系（2H多型），其拉曼光譜通常在低頻段和中等頻段出現幾個特征峰[11]。采用785nm的激發光源對WSe2薄膜樣品進行拉曼光譜測試，如圖1所示。位于250cm-1的拉曼峰對應于WSe2的典型一階拉曼峰，通常歸屬于E2g模式，即材料的面內振動模式，反映層狀結構中的面內原子振動（W和Se原子在平面內相對振動）。

這個峰的強度為1010，它是WSe2最強的拉曼信號之一，強度高，比較穩定。在單層、雙層和多層樣品中，這個峰的位置會稍有變化，但多層樣品普遍接近250 cm-1。位于256 cm-1的拉曼峰對應于A1g模式[12]，這個峰的強度是685，代表面外振動模式，這個峰是W和Se原子沿垂直方向振動的模式。這個模式對層數更加敏感，隨著層數增加，它的位置會稍微紅移（向低頻移動），強度也會變化。一般來說，A1g 峰的強度比E2g略低，與圖中的數據吻合。

圖2為WSe2阻變存儲器在650～900nm光譜范圍內的吸光度光譜。整體曲線呈現雙峰結構[13]，是非常典型的二硒化鎢A、B激子吸收特征，吸收逐漸減弱的趨勢說明光子能量逐漸低于帶隙。第一個吸收峰出現在大約670nm，對應B激子吸收。這個峰是高能峰，源自自旋軌道分裂的B谷躍遷。第二個吸收峰大約在780nm，對應A激子吸收。這個峰是最強吸收峰，源自K點的直接躍遷。A峰強度高于B峰，符合多層WSe2的吸收特征。800nm以后，吸收逐漸減弱，900nm附近吸收接近背景水平，說明此時光子能量已經低于帶隙，逐漸轉為基底背景貢獻，與在室溫下在類似樣品中獲得的吸收光譜吻合較好[14]。

如圖3所示，器件的電流—電壓特性呈現出典型的雙極性電阻開關行為。當電壓從0V正向增加至3V時，電流緩慢上升，表明器件處于高阻態（HRS）。當電壓接近3V時，電阻狀態發生轉變，從HRS切換到低阻態（LRS），這一過程可能與材料內部導電細絲的形成或界面勢壘的調制有關[15]。反向掃描時（從0V至-3V），器件始終維持LRS狀態，說明此時導電通道保持穩定。而當電壓從-3V返回至0V時，電阻逐漸恢復為HRS，實現了可逆的阻態切換。這種雙極性特性使得器件能夠通過不同極性的電壓實現“開”和“關”狀態的精確控制，為存儲器應用提供了基礎。

圖4進一步展示了器件的長期穩定性。在0.2V的恒定電壓測試條件下，器件的電阻或電流等性能參數在800秒內保持穩定，未出現顯著退化，表明器件在低電壓工作環境下具有優異的抗疲勞特性，能夠滿足實際應用中對于數據持久性和可靠性的要求。

Al/WSe2/ITO阻變存儲器的阻變性能與WSe2薄膜層中鎢空位導電通道的形成和斷裂有關。當在頂電極Al上施加正向電壓時，帶正電的鎢空位在電場的作用下向底電極遷移并在WSe2層中形成導電通道，導致Al/WSe2/ITO器件從高阻態轉變為低阻態。當在頂電極Al上施加負向電壓時，帶正電的鎢空位在電場的作用下向頂電極遷移導致導電通道逐漸斷裂，Al/WSe2/ITO器件從低阻態恢復到高阻態。這一過程具有非易失性，即斷電后仍能長時間保持高低電阻狀態。

四、結語

綜上所述，本工作基于WSe2納米片制備了WSe2阻變存儲器，通過連續掃描的電流—電壓特性曲線顯示出其具有良好的雙極性電阻開關特性，對器件保持特性進行研究發現其穩定性良好，基于WSe2的阻變存儲器在非易失性阻變存儲器中具有應用潛力。

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作者單位：聊城大學物理科學與信息工程學院

責任編輯：張津平 尚丹