复旦大学《Adv. Mat.》：纺织型忆阻器！一e测试

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复旦大学《Adv. Mat.》：纺织型忆阻器！

2023-05-12 15:36:51 0 140

研究背景

物联网和5G等新兴技术推动了电子纺织品的发展，它们像普通织物一样灵活、透气，被认为是可穿戴设备的最终形式，将彻底改变人机互动模式。通过交织光电纤维，具有能量收集/存储、传感和显示功能的电子纺织品已经被创造出来。在电子纺织品的实际应用中，信息处理装置是将功能性电子元件集成在一起形成闭环智能系统的核心构件。然而，传统的信息处理装置具有刚性基底和多层结构，难以满足电子纺织品的柔性、轻量化和透气性的要求。随着电子纺织品中产生的数据量越来越大，设计坚固的编织信息处理装置以无缝地适应纺织品的交织结构和复杂的变形是至关重要的，同时也具有挑战性。

具有高效内存计算能力的忆阻器具有典型的横杆配置，与纺织品的交织结构内在兼容，因此作为有前途的组件，通过编织忆阻纤维来制造柔性的信息处理纺织品。然而，长期以来，忆阻器的实际应用受到了丝状开关过程中不可避免的周期-周期和器件-器件的变化的阻碍。这种时间和空间上的变化通常是由于在含有随机分布的活性缺陷的非晶忆阻介质中，由于不可控的离子迁移而导致的导电丝的随机增长。通过在忆阻介质中插入额外的层和掺入导电杂质，已经做出了广泛的努力来定位活性缺陷，但离子迁移的随机性仍然是一个普遍的经验，因为非晶相中的活性缺陷本质上是动态的并且不受限制。尽管使用具有少量缺陷的单晶忆阻材料可以促进电阻开关的可靠性，但它是以牺牲忆阻性能为代价的。因此，实现高度可靠的平面忆阻器仍然是一个未满足的需求，更不用说获得这种坚固的纺织型忆阻器了，因为在微米级纤维电极的弯曲表面上调节忆阻层特别困难。

在生物神经元中，具有特定活性位点的排列的离子纳米通道横跨突触膜，作为封闭的通道，诱导可靠和高效的跨膜离子迁移，从而允许在神经网络中进行强大的电信号通信（图1a）。如果在纤维电极上的忆阻层上创建这种装饰有活性位点的纳米通道（图1b），它们可以为可控的离子迁移提供有限的空间，并使纺织型忆阻器具有高可靠性。基于改进的气相沉积方法，发现在几种平面忆阻器中限制导电丝的生长可以提供可重复的电阻开关，但高温和真空条件下的气相沉积不适用于用于均匀和连续忆阻纳米层的纤维衬底。

研究成果

在这里，复旦大学彭慧胜教授，陈培宁副研究员等通过在Pt纤维电极上沉积具有排列的纳米通道的CuZnS膜，提出了这种高度可靠的纺织型忆阻器。具有丰富的活性S缺陷的纳米通道是通过化学浴沉积法创建和调节的。与CuZnS层中没有纳米通道的对应物相比，所产生的纺织型忆阻器表现出设定电压降低4倍（约0.089V），设定电压变化降低10倍（<5.6%），V_set标准偏差降低40倍（约0.005V）。所实现的可靠性和忆阻性能优于由金属氧化物、过渡金属硫化物、钙钛矿和有机材料制成的典型平面丝状忆阻器。具有丰富的活性S缺陷的纳米通道被证明可以锚定银离子并限制其迁移以形成有序和有效的导电丝。他们的纺织型忆阻器在阵列中没有任何封装，显示出较高的器件与器件之间的均匀性，并具有机械稳定性，可以承受各种变形，因此它们可以无缝地集成到所有纺织集成电子系统中。相关研究工作以“Highly reliable textile-type memristor by designing aligned nanochannels”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。祝贺！

图文速递

图1. 含Pt/CuZnS纳米通道光纤纺织型忆阻器的设计与结构表征

图2. 纺织型忆阻器的忆阻性能

所制备的Pt/CuZnS纤维与Ag纤维电极交织，形成一个与纺织品交织结构集成的忆阻器单元（面积约为270 μm²，图2a）。通过在Ag纤维电极上施加直流电压扫描，研究了这种纺织型忆阻器单元的电阻性开关行为。对于在CuZnS层中含有纳米通道（平均尺寸约为17 nm）的纺织型忆阻器单元，从连续的电流-电压（I-V）曲线（图2b）来看，它表现出典型的非易失性双极电阻开关行为，并且在第一个开关周期中没有发生明显的电铸过程。随着纳米通道的平均尺寸从17 nm增加到50 nm，纺织型忆阻器单元在设定电压和电阻状态下都表现出较大的波动；当纳米通道尺寸进一步扩大到200 nm时，它甚至在初始开关周期中完全崩溃。

图3. 含纳米通道的CuZnS薄膜纺织型忆阻器的电阻切换机制

原则上，丝状忆阻器的电阻性开关行为在很大程度上取决于离子迁移和忆阻层中导电丝的生长，这通常由局部纳米结构和化学环境决定。基于上述实验结果，他们将超低的设定电压和开关可靠性归功于跨越CuZnS层的非晶/晶体异质结构的纳米通道（图3a）。具体来说，当在纤维电极上施加电压时，在纳米通道内CuZnS非晶区域的活性缺陷点的辅助下，在Ag电极表面产生的Ag⁺将优先沿着纳米通道向Pt电极移动。因此，在Ag⁺还原后，在纳米通道的有限空间内形成了有序的导电银丝，从而使忆阻器的开关具有超低的设定电压和高可靠性。

图4. 纺织型忆阻器在复杂变形下的可靠性和耐久性

没有封装的纺织型忆阻器经久耐用，可以承受各种变形，如弯曲、滑动、挤压、拉伸和扭曲（图4a，b），这表明了可穿戴应用的潜力。当纺织型忆阻器以50 mm到10 mm的宽曲率半径弯曲时（图4c），甚至重复弯曲200次（曲率半径为10 mm）（图4d），HRS和LRS的设定电压和电阻都保持得很好。此外，当Ag纤维电极沿着Pt/CuZnS纤维滑动时，忆阻性能没有发生明显的下降（图4e），这与纤维电极的表面在循环滑动后保持光滑的事实相一致。同样，当Pt/CuZnS纤维在Ag纤维电极的不同位置交织时，电阻状态和设定电压也保持稳定。纺织型忆阻器的这种耐久性可能源于纤维电极表面的光滑和稳定，以及在各种变形下Pt纤维电极和CuZnS薄膜之间的坚固界面。

图5. 与纺织品型忆阻器集成的全纺织品集成电子系统的应用

作为应用的概念验证，纺织型忆阻器与传感、供电和显示的纺织品无缝集成，获得了全纺织的电子系统（图5a）。辅助电路和编程算法可以被引入，以解决忆阻器交叉阵列的非理想性问题。具体来说，由传感器收集的生理和环境信号直接由纺织型忆阻器处理，并通过纺织品显示器进行视觉反馈，从而提供一种有效和舒适的互动工具。例如，他们通过将纺织型忆阻器、用于检测紫外线的纤维传感器和纺织品显示屏编织在一起，制造了一块紫外线监测反馈布（图5b，c）。当外面的人被暴露在阳光下时，光纤传感器将紫外线的强度转化为光电流。然后，忆阻器根据串联电路中的分压判断光电流值是否超过安全阈值，并将结果发送给驱动模块，以触发纺织品显示器上的报警信号（图5d）。这样灵活透气的智能布可以提醒我们实时的紫外线水平，以便在户外活动中及时进行个人防护。同样，纺织型忆阻器也可以与纤维摩擦电传感器集成，将语言障碍者的手势转化为可视化图像，以实现有效沟通（图5e）。佩戴在手指关节上的摩擦电传感器收集到的手指弯曲信号被编织在袖子上的纺织型忆阻器处理，最后通过纺织品的视觉显示给出反馈，如 "我爱你"（图5f）。

结论与展望

综上所述，研究者通过编织带有排列的纳米通道的Pt/CuZnS纤维，提出了一种高度可靠的纺织型忆阻器。它同时显示了超低的设定电压和设定电压的变化。CuZnS层中具有非晶/晶体异质结构的纳米通道提供了有限的空间，以促进有序和可靠的导电Ag丝。纺织型忆阻器可以与多功能电子纺织品/纤维无缝集成，实现全纺织智能系统，实现高效、舒适的人机互动界面。他们的纺织型忆阻器为开发用于可穿戴电子设备和智能纺织品的先进信息处理装置开辟了一条道路。对于实际的可穿戴应用，应该做出许多努力，以进一步提高在恶劣的使用条件下的耐用性，并为大规模的阵列级应用实现高的器件间可重复性。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301321.

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