阳离子基阻变器件既可以作为非易失性的存储器memory，也可以作为易失性的选择器selector。在大的RRAM 1S1R阵列中，低功耗、高导电通路稳定性是对memory的基本要求，而高驱动电流ON-state current、弱导电通路稳定性是对selector的基本要求。

此方法借鉴“一根筷子轻轻被折断，十双筷子牢牢抱成团”的哲学思想，通过石墨烯缺陷工程控制活性电极离子向阻变功能层中注入的路径尺寸和数量，集中化/离散化阳离子基阻变器件中导电通路的分布来调控其稳定性。

制备了两种结构缺陷石墨烯，一种是离散的原子尺度缺陷，通过Si⁺ 离子束(Nissin ion equipment EXCEED 2300RD，10 keV，1×10¹³ Si⁺/cm²)辐照制备而成（图1a），制备出活性电极/单孔石墨烯/阻变介质层/惰性电极结构；另外一种是单纳米孔的集中缺陷（~45 nm），由电子束曝光（EBL）及氧等离子体刻蚀（ICP-98A，50 W，O₂ 40 sccm，5.7 ×10⁻² Pa）加工形成（图1d），从而制备活性电极/单孔石墨烯/阻变介质层/惰性电极结构。离散的石墨烯缺陷诱导形成数量众多的细小、脆弱、容易自发断裂的导电通路，器件保持特性差，可用于易失性选择器（图1b，c）；而集中的石墨烯缺陷（纳米孔）诱导形成集中分布且粗壮稳定的导电通路，器件保持特性好，可用于非易失性存储器（图1e，f）。图1.（a）离散型石墨烯缺陷HRTEM图片，缺陷包含离散的原子尺度碳空位及数纳米尺度孔洞；（b，c）在活性电极/单孔石墨烯/阻变介质层/惰性电极结构中，活性阳离子沿着离散的原子尺度石墨烯缺陷迁移，促进细小的导电通路的离散化生长。这些细小的导电通路在掉电情况下自发演变为不连续的纳米颗粒，从而可以削弱该类型器件在高操作限流下导电通路的保持特性。（d）集中型石墨烯缺陷SEM图片，纳米孔直径约45 nm；（e，f）在性电极/单孔石墨烯/阻变介质层/惰性电极器件中，纳米孔缺陷石墨烯将活性离子迁移及导电通路的形成限制在纳米孔处，诱导形成单根或少数粗壮稳定的导电通路。这些导电通路具有较大的原子密度，较小的有效表面积，这些因素导致了导电通路较小的原子扩散及优化的稳定性，从而可以提升该类型器件在更低操作限流下导电通路的保持特性。

这种方法打破了电流-保持特性之间的经典关系，不仅能够削弱易失性选择器导电通路的稳定性，使其获得更高的易失性驱动电流（双向500μA），也能增强非易失性存储器在低操作电流（1μA）下导电通路的稳定性，使其获得更低的功耗，这就为阻变存储器的1S1R方案3D高密度集成奠定了基础（图2）。

图2.（a，b）石墨烯缺陷工程调控所得高驱动电流、低保持特性易失性选择器及低操作电流、高保持特性非易失性存储器的特征I-V曲线；（c，d）基于石墨烯缺陷工程的阻变器件的1S1R单元结构及3D集成概念图。

文献链接：X. L. Zhao#, J. Ma#, X. H. Xiao#, Q. Liu,* L. Shao, D. Chen, S. Liu, J. B. Niu, X. M. Zhang, Y. Wang, R. R. Cao, W. Wang, Z. F. Di,* H. B. Lv, S. B. Long, and M. Liu*, Breaking the Current-Retention Dilemma in Cation-Based Resistive Switching Devices Utilizing Graphene with Controlled Defects, Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201705193) (#These authors contributed equally to this work) （通讯员：赵晓龙）