Sci. Adv.：在具有氢键开关通路的MOFs中同时实现阻变和整流效应

来源：X一MOL资讯

随机阻变存储器（RRAM）以其快速操作、低功耗、高存储密度和良好的拓展能力，成为下一代存储器的有力候选者。阻变存储器一般采用金属/介质/金属的三明治结构。其介质主要基于无机氧化物、有机聚合物和金属络合物等。无机介质具有良好的开关稳定性但需要较高的set电压，而有机物介质具有良好的机械加工性能，但在循环稳定性、开关比等方面还有所不足。另一方面，由于导电细丝形成的无序性和随机性，以及介质结构固有的复杂性，阻变存储器的电致阻变机理仍不清晰，这导致了阻变存储器性能优化的困难甚至整个阻变存储器领域研究的停滞。获得具有优异阻变性能同时具有清晰阻变机制的存储器仍然是一个艰巨的挑战。另一方面，阻变存储器单元的集成中面临固有的串扰问题，目前主要通过附加额外的二极管、选通器或构建肖特基势垒来避免，但这无疑降低了存储器的集成度。因此，开发同时具有优异阻变性能以及自整流效应的单一材料具有重要意义。

金属有机骨架（MOFs）绝缘的骨架以及可以用于载流子输运的孔道使其非常有希望成为阻变存储器的介质材料。MOFs的结构多样性使得我们可以通过调整结构基元或后修饰的方法调节阻变性能。但到目前为止，对于MOFs基的阻变存储器的研究仍处于起步阶段，且阻变性能不能令人满意。同时，由于客体分子的高度无序，这些MOFs基的阻变存储器的机理探索缺乏直接证据。

近期，福建师范大学张章静课题组在前期宽温域质子导体调控（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 913-918）以及质子输运机理解析（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 15604-15607）的研究基础上，设计合成了首例同时具有阻变和整流效应的MOF材料FJU-23-H2O。在不同直流电压激励下，FJU-23-H2O具有不同的质子输运行为。基于FJU-23-H2O的RRAM表现出非易失的特性、高的开关比（~ 105）、整流比（~ 105）以及低的set电压（~ 0.2 V）。单晶衍射表明，FJU-23-H2O的阻变行为来源于直流电压激励下其结构中不完整氢键链的连接/断开。

图1. FJU-23-D2O的结构示意图。

图2. FJU-23-H2O单晶器件沿c轴的电学性能。(a) 单晶器件测试示意图；(b) 交流电压为0.1 V，不同直流电压下的电导率；(c) 室温下100次循环的电压-电流关系半对数图；(d)耐久性能；(e) set电压与循环次数的关系; (f) set电压分布的直方图和高斯拟合曲线；(g) 三个阻态的保持特性；(H) FJU-23-H2O的set电压和开关比与其它代表性介质的比较。

图3. 电压刺激下FJU-23-H2O的结构变化。(a) 对于施加电压的大小和顺序的示意图；(b) O1w附近电子云密度变化的差分傅里叶图；不同电压下(c) d [H1w1(O1w)⋯O11] (d1)/d [H1w1(O1w)⋯O31] (d2)和(d) (O1w─H1w1⋯O11) (θ1) / (O1w─H1w1⋯O31) (θ2)

相关结果发表在Science Advances上，文章的第一作者是福建师范大学姚梓竹博士。