忆阻器是一种拥有简单金属-绝缘体-金属(MIM)三明治结构的新型两端电子存储器件,因特征尺寸小、易于制备、可三维堆叠等特点和能耗低、耐久性高、保持时间长等优异阻变性能而得到广泛关注。由于二维材料在光、电、热以及机械性能等方面具有独特性质,二维材料基忆阻器则进一步拥有一些传统忆阻器所不具备的性能,比如高透明度和柔性、高机械强度、高化学稳定性、高热导率、低功耗,同时具备双极型和阈值型两种阻变类型,以及作为电子突触时稳定的弛豫。但是部分为忆阻应用所必需的电学性能(如用于高密度信息存储的多阻态)还未被诠释,因此在二维材料基忆阻器领域获得多阻态存储的性能显得尤为关键。本文选用二维材料六方氮化硼(h-BN)作为绝缘层、石墨烯(G)作为电极插层,利用光刻技术构建了小尺寸的G/h-BN/G范德华结构,从而首次获得了稳定的拥有多阻态的二维材料基忆阻器。制备的交叉点结构Au/Ti/G/h-BN/G/Au忆阻器最小面积为5 μm × 5 μm;通过调控限制电流和复位电压,该器件可实现三阻态中任意两个阻态之间的切换。值得注意的是,石墨烯插层的使用和由交叉点结构所获得小尺寸是获得该三态操作的两个关键性因素:当器件面积过大(100μm × 100 μm)时,即便有同样的石墨烯插层也不会展现三态阻变;当没有石墨烯插层,即使器件面积同样小(5 μm × 5μm)时也不会出现三态阻变。简单来说,在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间通过调控限制电流或复位电压获得了 一个中间阻态(S-LRS)。该阻态是通过G在低限流下限制金属的过量迁移而在h-BN阻变层形成纳米级导电细丝得以实现。HRS、S-LRS和LRS下的电子传导模型分别与Poole-Frenkel模型、混合量子点接触模型和欧姆定律相符合。此外通过h-BN的截面透射电子显微镜(XTEM)和导电原子力显微镜(C-AFM)的表征,以及三个稳定阻态下的电流电压曲线的数据拟合,进一步确认了该范德华结构忆阻器以缺陷态为主,金属迁移和硼空穴产生为辅的阻变机理。本实验所用到的二维材料均由化学气相沉积法(CVD)生长获得,和机械剥离法相比,该方法所具备的可扩展性使得器件的大规模制备得以实现,也使器件的可靠性和器件与器件之间的低差异性得以被分析。本实验的成功实施使得二维材料基忆阻器朝着多阻态存储的方向上迈进了一大步。