保護存儲在電子存儲器件中的敏感信息不被泄露的關鍵是開發(fā)出能夠在緊急情況下迅速銷毀的瞬態(tài)電子器件。銷毀電子器件中存放信息的方式一般有機械銷毀、數(shù)據(jù)覆蓋（但可恢復）、高溫銷毀（300-1800℃）、化學腐蝕（常用濃度為55%~58%的濃氫碘酸等化學試劑）、高電壓擊穿毀損、消磁法(適用于磁性存儲介質(zhì)，至少要使用相當于磁性介質(zhì)矯頑磁性5 倍的磁力)以及溶解活性層等方式。但在緊急狀態(tài)下很難快速實施前六種措施。通過水溶、光分解等手段快速溶解/破壞活性層的技術就成為了極端情況下保證信息安全的最后一道防線。
圖1：Al/PTT-NMI+Br-/ITO柔性憶阻器結構及器件活性層被水迅速溶解的示意圖
近期，華東理工大學化學與分子工程學院結構可控先進功能材料及其制備教育部重點實驗室陳彧教授團隊（www.chenyu.polymer.cn）合成了一種具有高度水溶性的聚噻吩共軛聚電解質(zhì)，并以其為活性層，成功地制備了一個柔性瞬態(tài)憶阻器：Al/PTT-NMI+Br-/ITO（圖1）。該器件在±3V的掃描電壓范圍內(nèi)顯示出典型的非易失性可擦寫阻變存儲性能（圖2）。在±1V的小掃描電壓范圍內(nèi)則表現(xiàn)出憶阻性能，可以借此模擬生物系統(tǒng)的學習-記憶-遺忘功能和突觸增強/抑制特性。即使在各種彎曲狀態(tài)下，該器件也表現(xiàn)出良好的雙穩(wěn)態(tài)開關阻變和憶阻效應（圖3-5）。開關與信息存儲機制可能與外加電場時離子遷移過程高度相關。由于材料在水中的溶解性可達到5mg/mL，用水沖洗后，制成的電子器件在 20 秒內(nèi)迅速損壞（圖6）。這種電子存儲器件是一種典型的瞬態(tài)器件，若經(jīng)電子封裝，則可以長期穩(wěn)定工作。此外，可溶性活性材料可以很容易地從其水溶液中加以回收并重新用于制造新的瞬態(tài)憶阻器。這項工作也為設計和構筑能用水快速銷毀的神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)提供了一個新的思路。相關成果以“Water-Soluble Polythiophene Conjugated Polyelectrolytes-based Memristor for Transient Electronics”為題在線發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces。華東理工大學博士研究生王可心為論文第一作者，課題組負責人陳彧教授為通訊聯(lián)系人，課題組張斌副教授為共同通訊作者。本項研究得到國家自然科學基金委（51961145402, 51973061）和上海市科委（19ZR1413100、21QA1402100）等部門的經(jīng)費資助。
圖2： (a) 樣品水溶液照片；(b) Al/PTT-NMI+Br-/ITO coated PET器件結構示意圖；(c) PTT-NMI+Br-薄膜的導電原子力顯微鏡圖像（掃描尺寸：10×10 μm2）；(d) 器件的電流-電壓特性曲線；(e)在0.5V恒定電壓下，器件運行的時間穩(wěn)定性測試；(f) 讀取脈沖對器件開啟和關閉狀態(tài)電流的影響（插圖顯示用于測量的脈沖）；(g) 器件在±4V的開關脈沖下的耐久性能。脈沖寬度=100ms；脈沖周期=300ms；（h）“寫-讀-擦除-讀”循環(huán)操作下的脈沖電壓模式（黑色）和相應的電流響應（紅色）。
圖3： (a)不同彎曲狀態(tài)下的柔性存儲器件（左：壓縮狀態(tài)；右：拉伸狀態(tài)）；器件在（b）壓縮和（c）拉伸狀態(tài)下的電流-電壓特性；（d）50個不同器件在壓縮（紫色）、平整（綠色）和拉伸（粉色）狀態(tài)下的開關電壓和（e）開啟與關閉狀態(tài)下的電流的箱線圖；（f）器件在重復彎曲應力下的保留特性。
圖4：(a) Al/PTT-NMI+Br-/ITO器件在±1V掃描范圍內(nèi)的電流-電壓特性；在 (b) -1V 和 (c) 1V 處讀取的偏差電流和電壓掃描數(shù)之間的線性關系；器件在 (d) -1V 和 (e) 1V 脈沖電壓下的時間保持性能；(f) 連續(xù)升壓和降壓刺激下的器件電流變化；(g-k) “學習-遺忘-再學習-再遺忘”過程的演示。電壓脈沖的幅度、持續(xù)時間和周期分別為 1 V、10 ms 和 2s。在 -0.2 V 的小電壓下監(jiān)測電流響應。
圖5：Al/PTT-NMI+Br-/ITO coated PET器件的頻率依賴的突觸增強和脈沖頻率依賴可塑性：（a）本工作使用的脈沖頻率示意圖；器件在10個不同頻率的脈沖刺激下(b)電流和(c)電流變化(ΔI)的變化過程;（d）器件與脈沖間隔相關的可塑性。雙脈沖易化（PTP）和強直后增強（PPF）的擬合公式為y=y0+Aexp(-x/t)，電壓脈沖的幅值為1 V，持續(xù)時間為10 ms。用-0.2 V的小電壓監(jiān)測電流響應。
圖6：Al/PTT-NMI+Br-/ITO器件的活性層在20s內(nèi)被水溶解過程的照片。
我國集成電路工業(yè)面臨著美國的制裁，所有關鍵設備和關鍵材料都在禁運之列。突破基于馮諾依曼架構的算力瓶頸和摩爾定律限制，已經(jīng)成為后摩爾時代人工智能芯片領域的重要創(chuàng)新方向。為了解決卡脖子問題，陳彧教授團隊在國家基金委重點基金、國際合作基金等項目資助下，長期致力于非易失性高分子阻變存儲和憶阻器功能材料研究工作，獲得了一些原創(chuàng)性的研究成果：1)通過二維有機共軛策略在國際上首次制備了良率高達90%的納米級高分子憶阻器，在100納米尺度范圍內(nèi)發(fā)生了均勻的憶阻調(diào)變，器件響應時間小于20納秒，功耗僅10 fJ/bit，開關電壓僅為0.35伏。利用單一聚合物憶阻器實現(xiàn)了多值信息存儲與處理功能的集成，為有機高分子憶阻器的小型化、高密度與低功耗集成提供了新的思路；2）設計制備了一系列高分子共價修飾的石墨烯及類石墨烯納米材料，實現(xiàn)了這些納米材料的溶液加工，在國際上制備了第一個基于氧化石墨烯的高分子非易失性阻變存儲器件；3) 提供了一種通過控制聚合物薄膜形貌實現(xiàn)高性能聚合物存儲器件性能的有效方法。將偶氮基團的電荷捕捉和分子構象變化效應引入聚乙烯咔唑側鏈，構建了新型具有給體-勢阱-受體的結構單元，促進了器件的長期穩(wěn)定性。迄今為止已在Nature Commun. (2019, 10, 736；2021, 12, 1984 )、Angew. Chem. Int. Ed. (2018, 57:4543-4548)、Chem. Soc. Rev.(2012, 41(13): 4688– 4707）、Adv. Mater.( 2010, 22, 1731–1735)等SCI期刊上發(fā)表影響因子大于5的信息存儲論文50余篇, 獲授權發(fā)明專利三項。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c04752
