物理所憶阻器的可調電致發光取得進展

　　憶阻器(Memristor)是電路里繼電阻、電容和電感之外的第四種基本元器件。由于其在非易失性存儲、人工神經網絡、混沌電路、邏輯運算及信號處理等領域的應用潛力，成為2008年后電子學器件領域內的一個重要研究對象。電致發光(Electroluminescence)通常指半導體材料中電流或電場誘導的電子空穴對復合發光現象，在作為光源和顯示等應用領域具有較長的歷史。通常，憶阻器和電致發光器件具有截然不同的結構和原理，在同一器件中同時實現存儲和電致發光功能功能十分罕見。

　　中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)納米物理與器件實驗室張廣宇研究組近兩年來一直把憶阻器的研究作為一個重要方向。2012年，該組報道了基于石墨烯-氧化物平面納米間隙結構的憶阻器中的多阻態存儲現象【ACS Nano 2012, 6, 4214】;最近，該組張廣宇研究員，時東霞研究員，博士生何聰麗、陳鵬等在此種器件中發現了和阻變相關聯的可調制電致發光現象，并與光物理重點實驗室李志遠研究員、李家方副研究員，東南大學孫立濤教授、吳幸博士合作，對該器件結構中的發光光譜和發光機制進行了系統的研究。

　　研究中發現，石墨烯-氧化物平面納米間隙結構憶阻器中的電致發光光譜范圍為400-1100納米，對應可見光區及近紅外光區。該憶阻器件處于不同的電阻態—高阻態和低阻態—時相應的電致發光峰位不同，分別為550納米和770納米;且低阻態比高阻態在發光強度上要高一個數量級。這種可調制發光現象主要歸因于納米間隙中形成的硅納米晶，注入的電子和空穴在硅納米晶中復合導致了輻射發光。這一推論在器件結構表征結果中得到了驗證。他們通過高分辨透射電子顯微鏡，觀察到了器件處于不同的高、低阻態時納米間隙結構中形成的硅納米晶尺寸不同。不同尺寸的硅納米晶的帶隙不同，從而導致不同波長的光發射現象。此外，該類器件阻變過程中伴隨的電致發光響應較快，相應的響應時間和衰減時間分別為0.7μs和17.7μs。基于這種簡單的平面結構，他們展示了這種器件可以用來構造低成本、大面積的集成光源及產生～μs量級的光脈沖，從而用于照明、顯示及光開關等領域。另外，該結構中電阻態和發光態是互相關聯的，通過施加不同的電壓偏置，設置該結構到不同的電阻態，從而來調制器件發射不同顏色的光;反過來，還可以通過收到的光譜判定器件的電阻態。該類器件為開發新型多功能納米光電器件提供了一種新的思路，可能在新一代信息存儲與傳輸、光互聯等領域具有潛在應用。

　　相關研究結果近期發表在Advanced Materials(2013, 25, 5593)上。

　　此項工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院項目的支持。

圖1：石墨烯-氧化物平面納米間隙憶阻器結構及電學、光學測試示意圖(a)， 典型的阻變行為(b)及可調制發光光譜圖(c)。

圖2：石墨烯-氧化物平面納米間隙結構用于光源(a)、顯示(b)及產生電光調制器(c,d)。

圖3：石墨烯-氧化物平面納米間隙結構高阻態(a,c)、低阻態(b,d)的高分辨透射顯微鏡圖及電致發光物理機制示意圖(e,f)。