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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(gè)獨立分支分別沿著(zhù)各自的路徑發(fā)展，同時(shí)具備光電傳感和存儲功能的原型器件尚未見(jiàn)報道。近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心科研人員與國內多家單位合作，在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）在線(xiàn)發(fā)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于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(kāi)關(guān)比、長(cháng)達10年的存儲時(shí)間以及穩定的讀寫(xiě)操作，多個(gè)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(shí)現光電信號的傳感與檢測；基于理論計算分析與實(shí)驗優(yōu)化設計，制備出32×32像素的非易失性柔性紫外光面陣器件，首次實(shí)現了光學(xué)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制奠定了基礎。

科研人員采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(shí)現在0.4%彎曲應變下器件讀寫(xiě)與擦除之間的電流開(kāi)關(guān)比高于10⁵，存儲穩定性超過(guò)10⁸s（圖2）。同時(shí)，較薄氧化鋁隧穿層可使在擦除態(tài)“囚禁”于鋁納米晶浮柵中的載流子在獲得高于鋁功函數的光照能量時(shí)，通過(guò)直接隧穿方式重新返回溝道之中，使閉態(tài)電流獲得明顯的提升，完成光電信號的直接轉換與傳輸，實(shí)現集圖像傳感與信息存儲于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(shù)與納米仿生研究所研究員邱松、李清文，吉林大學(xué)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(kāi)展了器件制備、電學(xué)測量和數據分析工作，陳茂林進(jìn)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(jìn)行了樣品的透射電鏡表征，譚軍開(kāi)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(xiě)工作。曲庭玉、孫隕、陳茂林為共同第一作者，邱松、韓拯、成會(huì )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(xué)基金、中科院、金屬所、沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心、青年千人計劃和國家重點(diǎn)研發(fā)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(diǎn)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(xué)性能與柔性表征。a）柔性器件結構示意圖與b）實(shí)物圖；c）鋁納米晶/氧化鋁一體化結構的條件優(yōu)化；d）器件保持特性與e）循環(huán)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(cháng)的光響應特性；d-g）器件光存儲特性表征。