電荷耦合器件（CCD）與電荷存儲器件（Memory）作為現代電子系統中兩個獨立分支分別沿著各自的路徑發展，同時具備光電傳感和存儲功能的原型器件尚未見報導。近日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心科研人員與國內多家單位合作，在《先進材料》（Advanced Materials）在線發表題為《柔性碳納米管傳感-存儲器件》（A flexible carbon nanotube sen-memory device）的研究論文。
科研人員提出了一種基於鋁納米晶浮柵的碳納米管非易失性存儲器，具有高的電流開關比、長達10年的存儲時間以及穩定的讀寫操作，多個分立的鋁納米晶浮柵器件具有穩定的柔性使役性能。更重要的是，電荷在氧化生成的AlOx層中的隧穿機制由福勒-諾德海姆隧穿變成直接隧穿，從而實現光電信號的傳感與檢測；基於理論計算分析與實驗優化設計，製備出32×32像素的非易失性柔性紫外光面陣器件，首次實現了光學圖像的傳感與圖像存儲，為新型柔性光檢測與存儲器件的研製奠定了基礎。
科研人員採用半導體性碳納米管薄膜為溝道材料，利用均勻離散分布的鋁納米晶/氧化鋁一體化結構作為浮柵層與隧穿層，獲得高性能柔性碳納米管浮柵存儲器（圖1），實現在0.4%彎曲應變下器件讀寫與擦除之間的電流開關比高於105，存儲穩定性超過108s（圖2）。同時，較薄氧化鋁隧穿層可使在擦除態「囚禁」於鋁納米晶浮柵中的載流子在獲得高於鋁功函數的光照能量時，通過直接隧穿方式重新返回溝道之中，使閉態電流獲得明顯的提升，完成光電信號的直接轉換與傳輸，實現集圖像傳感與信息存儲於一身的新型多功能光電傳感與存儲系統（圖3）。
該項研究工作由金屬所孫東明和曲庭玉提出設計構思，在中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員邱松、李清文，吉林大學教授王偉以及金屬所的科研人員共同合作下完成。曲庭玉與孫隕開展了器件製備、電學測量和數據分析工作，陳茂林進行了電子束曝光等器件工藝研究，邱松、李清文合成了半導體性碳納米管溶液，劉志博進行了樣品的透射電鏡表征，譚軍開展了聚焦離子束等樣品加工。所有作者共同參與了數據分析討論及論文撰寫工作。曲庭玉、孫隕、陳茂林為共同第一作者，邱松、韓拯、成會明、孫東明為共同通訊作者。該項研究工作得到國家自然科學基金、中科院、金屬所、瀋陽材料科學國家研究中心、青年千人計劃和國家重點研發計劃等資助。
圖1. 器件設計與結構。a）器件結構示意圖；b）均勻離散分布的鋁/氧化鋁納米晶點陣結構與c）碳納米管薄膜溝道材料的SEM圖；d）溝道中電荷密度分布仿真；e）鋁納米晶表面形貌圖；f）碳納米管薄膜與浮柵層結構的截面TEM與元素分布圖；g）存儲窗口。
圖2. 柔性器件電學性能與柔性表征。a）柔性器件結構示意圖與b）實物圖；c）鋁納米晶/氧化鋁一體化結構的條件優化；d）器件保持特性與e）循環性能表征；器件在f）不同彎曲應力與g）次數下的柔性表征。
圖3. 器件光電響應與圖像存儲。a）柔性傳感存儲器件；b）器件結構單元；c）不同波長的光響應特性；d-g）器件光存儲特性表征。
來源：中國科學院金屬研究所