利用單步熱解法，從天然廢料--死亡的九重葛苞片中合成了穿孔的渦輪層石墨烯（PTG）片，并首次用它建造了一個電阻開關（RS）存儲器件。在這里，由于石墨烯片的相鄰層之間的渦輪層堆疊，這些大面積的多層石墨烯片的邊緣是高度導電的。這些嵌入在絕緣聚合物基體內的高導電PTG片可以作為電阻式開關存儲器件的活性層。這種混合結構通過簡單的偏置電壓變化在兩個不同的電阻狀態之間顯示出非線性的電阻變化。陷阱輔助的空間電荷限制的傳導可以實現高電阻狀態（HRS），而低電阻狀態（LRS）是通過直接傳導實現的。為了獲得最佳性能的器件，已經進行了一些優化，如聚合物基質的變化、PTG和聚合物濃度的變化、活性層厚度的變化和頂部電極面積的變化。性能最好的器件顯示了電流-電壓數據的可重復性（>200次），低功耗（SET電壓<1 V），高開/關比率（>10
4），長保留時間（>10
4 s），以及大量的耐久性循環（>10
3）。還對表現最好的器件進行了高寫-讀-擦-讀速度和柔性/彎曲循環測試，以考察其韌性。目前基于PTG的柔性RS存儲器件來自于生物廢料--死亡的九重葛苞片，可以為開發綠色電子產品提供重要的一步。
圖1. ReRAM器件的合成和制造過程。(a, b)PTG的合成協議；(c)使用PTG嵌入PVP作為活性層的器件的制造。
圖2. 合成的PTG的基本特征（a-c）HRTEM分析；（d，e）分別對D和G波段以及2D波段進行拉曼分析；（f）XRD顯示渦輪化；（g-i）分別對C 1s、O 1s和N 1s進行XPS光譜及其解旋。
圖3. 制造的器件的基本I-V特性和穩定性測試。(a) 基于Al/PTG@PVP/ITO的RS存儲器件的示意圖和真實照片（插圖）。(b) 該器件在不同CC下的典型不對稱I-V行為。(c) 在不同電壓下，不同CC的電流開/關比率。(d) 分別為7、15、30和45毫克的四種不同濃度PVP的器件的典型I-V特性。(e) 不同PVP濃度的器件在三個CC窗口下的電流開/關比率。（f） 對于三個讀取電壓0.25、0.5和0.75 V，具有不同PTG濃度的器件的電流開/關比。（g）200個連續電壓掃描周期的最佳器件的磁滯I–V數據。（h） 性能最佳的器件獲得的保持時間>10
4 s。（i）使用−2.0 V的脈沖條件獲得的耐久循環>10
3，“寫入”操作為100μs，“擦除”操作為+2.0 V，100μs。讀取電壓在所有循環中都設置在低偏置電壓（|0.5 V|），并且穩定的ON/OFF電阻比保持在10
4Ω以上。
圖4. 電阻狀態和彎曲測試的統計分布。(a) 在1kHz到1MHz的不同寫入和擦除速度下記錄的電阻狀態。(b) 在0.1 mV/s到0.5 V/s的不同掃描速度下，從固定讀取電壓（-0.5 V）的I-V曲線中得到的LRS和HRS變化。(c, d) 分別是十個不同器件（器件對器件）和單個器件的多個周期（周期對周期）的電阻值的統計分布。(e) 彎曲測試期間的LRS和HRS電阻超過100個彎曲周期，一個彎曲周期的示意圖（插圖）。(f) 器件在100個彎曲周期之前和之后的半對數I-V曲線。
圖5. 不同活性層厚度、頂部電極面積和不同聚合物的I-V特性和電阻狀態的變化。(a) 具有不同活性層厚度的器件示意圖。(b) 具有不同活性層厚度（500、300、100和50納米）的存儲單元在10μA的CC下的典型I-V特性。(c) 不同活性層厚度的HRS和LRS電阻。(d) 具有不同面積的頂部電極的器件示意圖；(e) 具有四個不同面積頂部電極的存儲單元的典型I-V特性。(f) 不同面積的頂部電極的HRS和LRS電阻。(g-i) 3種不同的聚合物，PVP、PMMA和PVA的電流-電壓特性，以及它們各自的能帶圖。
圖6. ReRAM器件在不同電壓區域的電流傳導機制。(a)示意圖展示了無偏壓器件（ITO/PTG@PVP/Al）的能帶圖，(b)圖3g中常見的I-V曲線之一，它顯示了同一器件的重復I-V曲線。(c) 區域A顯示在對數表現中；從數據的線性擬合中，發現斜率為2.0，這是由于陷阱輔助的空間電荷限制電流傳導（SCLC）。(d) 一旦器件處于LRS狀態，如果我們降低電壓，在陷阱電子存在的情況下，新注入的電子會直接傳導，這可以在面板b的B區直觀地看到。插圖顯示了直接導通方法的示意圖。數據的斜率被發現為1.0，這進一步證實了在這個過程中，傳導機制是直接的或歐姆的。 (e) 隨著正電壓的增加，電子的填充不會像負偏壓那樣發生。面板b中的區域C強烈表明了這一點。很少的電子可以通過隧穿穿過勢壘，而在施加正向偏壓時，只有非常少的電子被通過。擬合曲線中的高斜率值支持陷阱輔助的SCLC類型的傳導。
圖7. PTG的CAFM分析。(a, b) PTG片的典型AFM圖像，顯示了片的穿孔。PTG的平均高度是80-120納米，線狀圖清楚地顯示了PTG片內部存在穿孔，PTG的濃度在邊緣，（c-g）CAFM研究，已經使用接觸模式完成，尖端連接到地面，偏置電壓被施加到樣品上。c-f板塊顯示了電流圖，g板塊顯示了在不同的外加偏壓（0.5到3V）下電流變化的相應線型。
相關研究成果由賈達普大學Kalyan K. Chattopadhyay等人2023年發表在ACS Applied Electronic Materials (https://doi.org/10.1021/acsaelm.3c00037)上。原文：Perforated Turbostratic Graphene As Active Layer in a Nonvolatile Resistive Switching Memory Device。
轉自《石墨烯研究》公眾號
