第一作者：刘超

通讯作者：王琳：南京工业大学

论文DOI：10.1002/adma.202305580

全文介绍

南京工业大学王琳团队首次发现二维PbI2材料特有的电荷捕获特性，可以应用于非易失存储、类神经突触等领域。二维PbI2存储介质具有天然的缺陷分布，平整的表面，和高集成的优势，与二维半导体沟道材料如MoS2，WS2，WSe2结合，表现出目前为止优异的电荷捕获型存储器性能。PbI2独特的电荷捕获特性有望结合更多的二维材料并应用于未来的高集成和多功能电子器件。

背景介绍

在智能信息时代，高性能存储器将扮演更重要的角色。然而，随着摩尔定律的终结，传统商用存储硬件的升级越发困难。二维材料具有超薄厚度和平整表面的优势，在存储器领域展现了很好的应用前景，一方面二维材料超薄的厚度可以进一步微缩器件来增加集成度，另一方面二维材料提供了一个理想的平台去验证新概念和多功能的存储器件，如准非易失存储器，神经形态器件等。电荷捕获型和浮栅存储器是两种典型的非易失存储结构，商业上电荷捕获型存储器已经获得了巨大的成功。但在二维材料领域，二维电荷捕获型存储器发展缓慢，本质上是因为缺乏合适的存储介质。过去研究人员有两种主流方式去设计二维电荷捕获型存储器，一种是将二维半导体材料与传统的high-k氧化物材料或量子点材料组合，另一种是通过等离子体或激光等人工处理创造缺陷位点。但是这两种方法都难以和二维材料形成原子级平整的界面，造成器件可靠性的下降。因此，需要发现一种与二维材料兼容的二维存储介质，可以带来平整截面，均匀分布的缺陷和高集成的优势，（图1a）。在这里，王琳团队发现二维PbI2材料由于弱的Pb-I相互作用可以自发形成大量缺陷态作为电荷捕获位点，将PbI2与二维半导体沟道材料MoS2，WSe2，WS2结合，器件均表现出优异的存储性能。此外，基于PbI2的电荷捕获型存储器还实现了类神经突触功能。

研究内容

利用溶液法制备二维PbI2纳米片，将其与二维半导体沟道材料结合制备了高性能的二维范德华存储器件。以MoS2/PbI2器件为例，器件表现出了栅压可调的超大存储窗口和稳定的存储器件开关特性，（图2）。

Figure 2. (a) 不同栅压扫描范围下MoS2/PbI2器件的转移曲线。 (b) 存储窗口大小和存储电荷量与栅压范围线性相关。(c) 存储器件的开关特性，开关比约105。(d) 连续脉冲周期下的存储器开关特性。评价非易失存储器的性能主要根据器件的保持特性，循环特性，开关速度，多态存储等关键参数来判断。图3 为MoS2/PbI2器件的综合存储性能，表现出超过10000次的循环次数，超过12000 s的保持特性，5 µs的超快写入速度，8位以上的多态存储以及预测10年以上的工作寿命。在所报道的二维电荷捕获型存储器中表现出优异的性能。

Figure 3. (a) MoS2/PbI2 存储器的循环特性。(b) MoS2/PbI2 存储器的保持特性。(c) 器件阈值电压随时间的变化。(d) 8位多值存储特性。(e) 器件的快速写入过程。(f) 综合存储性能对比，PbI2/MoS2表现出优异的存储性能。CN：循环次数；MW：存储窗口；RT：保持时间。 机制分析：二维存储器件的存储窗口主要来源于界面或材料本身的缺陷，为排除SiO2衬底的散射造成的影响，将更为平整的h-BN作为栅介质（图4a），器件仍然表现出一个大存储窗口，为排除异质结界面电荷捕获造成的影响，研究人员通过置换MoS2和PbI2堆叠顺序和变温输运的研究，（图4b-c），进一步验证了MoS2/PbI2存储来源于PbI2材料本身，而非界面因素。PbI2材料内部Pb-I作用弱，可以自发形成碘空位缺陷，且碘空位容易在垂直方向移动，用于电荷捕获，图S1。同时，缺陷数量与材料厚度相关，因此器件存储窗口也表现出PbI2层数依赖的特性，图4d。基于PbI2的电荷捕获特性，图4f展示了存储器件工作的模型。

Figure 4. (a)顶栅h-BN/PbI2/MoS2器件的转移曲线。 (b) PbI2/MoS2的转移曲线，MoS2位于下方。 (c) PbI2/MoS2器件的变温存储窗口。 (d) 不同层数的PbI2存储器件的存储窗口。 (e) MoS2/1L PbI2器件的AFM和光学照片。 (f) 基于PbI2的电荷捕获型存储模型。

利用PbI2的电荷捕获特性可以进一步模拟神经突触器件，在这个三端MoS2/PbI2器件中，栅极脉冲作为突触前刺激，沟道电流作为突触响应，PbI2中的碘空位可用于模仿神经递质，图5a。该器件成功实现了双脉冲抑制/增强效应，短程塑型到长程塑型的变化等突触特性，图5b-e。并且表现出了超过100位可调的电导态，应用神经网络进行图像识别仿真，表现出接近97%的高识别精度，图5 f-g。

Figure 5. (a) MoS2/PbI2神经突触器件示意图。 (b-c) 双脉冲抑制/增强特性。(d) 短时记忆到长时记忆的变化。 (e) 在超过3000个脉冲刺激下连续的电导状态变化。(f) 109个增强和抑制的电导态。(g) ANN神经网络仿真，权重来源于图（f）。

总结与展望

研究率先发现PbI2是一种独特的二维存储介质材料并将其用于高性能的非易失范德华存储器件。与二维半导体沟道材料MoS2，WS2，WSe2结合后，PbI2中自发形成的碘空位是电荷捕获和释放的原因。MoS2/PbI2器件表现了远超其他二维电荷捕获型存储器的性能，表现出超过104的循环，超 1.2×104 s的保持, 5µs的快速写入速度，功耗低至 3 pJ, 超过120 V的存储窗口，8位以上多级存储和预测10年内仅16%的数据损失。此外基于相同器件还实现了基本的突触功能和图像识别功能，识别精度达97%。研究结果突出PbI2独特的电荷捕获性质，对扩展二维材料在电子器件及其他领域的应用具有重要意义。

课题组介绍

南京工业大学，柔性电子（未来技术）学院/先进材料研究院王琳教授，在香港科技大学获得博士学位后，分别在香港科技大学、瑞士日内瓦大学从事博士后研究。青年千人，江苏特聘教授。迄今在多个学科领域的期刊上共发表SCI论文100余篇。近五年以（共同）通讯作者身份在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、ACS Nano、Light: Sci. & Appl.、Nano Today等上发表论文50余篇，在影响因子大于10的期刊上发表论文20篇。荣获了国际科学、健康与工程组织优异研究员奖（2022年）、国际先进材料学会奖章（2019年）、欧洲材料学会青年科学家（2013年）、中国青少年科技创新奖（2013年）等荣誉称号。担任欧洲先进材料学会科学顾问委员、柔性电子材料与器件工信部重点实验室学术委员会委员、Photonics Research Assistant Editor、Frontier of Physics和InfoMat青年编委。课题组主要从事二维材料的超薄几何形貌与卤素钙钛矿的优异光电特性，在高质量材料制备的基础上，利用异质结构搭建技术，集成多种材料的各自优异特性，自主设计多结构微纳器件，并应用于光电领域。具有充足的科研经费、实验室空间和全新的实验设备，欢迎报考硕士、博士，申请联培研究生、科研助理和博士后。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305580