在日常生活中，我们或许会遇到手机电量充足却自动关机、游戏打到关键时刻电脑却突然关机或蓝屏的情况，造成这种情况的原因之一，就是因为手机和电脑里的电子元件们“太热”啦！
手机和电脑等电子产品里有大量的运算和存储元件，一般来说，这些电子元件的工作温度均不能超过125℃，一旦超过了这个温度，这些元件就会出现计算结果出错和数据丢失的状况。因此，为了避免这种情况发生，电子工程师们都会在手机和电脑里设置一个高温保护机制：一旦温度过高就自动切断电源。手机和电脑中的电子元件在工作时会产生额外的热量，高负荷的运转（比方说玩大型游戏的时候）会导致温度迅速升高，最终引发高温保护。
事实上，电子元件“怕热”的问题一直都在困扰着电子工程师们。例如，在航天航空、军事、地质勘探和石油天然气钻井等行业中，电子元件需要在300℃以上的高温等更加极端的环境下稳定工作。由于传统的电子元件都无法在这么高的温度下工作，工程师们往往依赖于冷却系统来为它们降温。这样虽然能够保证电子元件的正常工作，但额外配置的冷却系统不仅会在很大程度上增加成本和能耗，还会降低系统的可靠性。因此，科学家和工程师们都在努力地研究“不怕热”的电子元件。
近日，南京大学缪峰教授带领的研究团队就研发出了一种“不怕热”的电子元件，并在《自然·电子学》（Nature Electronics）杂志上发表了他们的工作[1]。
图片正中间就是基于二维材料 “不怕热”忆阻器的结构，上下灰紫色的部分为石墨烯电极，夹着中间的介质层硫氧化钼，构成一个三明治结构的“异质结”，在世界上首次实现了基于全二维材料的、可耐受超高温和强应力的忆阻器。画面周围是这种新型忆阻器可能大显身手的各种场景。图片来源：缪峰团队
缪峰团队研究的这类电子元件叫做忆阻器（记忆电阻）。忆阻器的电阻值在外加电场的作用下会发生连续且可逆的变化，利用这个特性就能用忆阻器存储数据。而所谓"记忆"，可以理解为即便撤掉外加电场，忆阻器也能“记住”电场消失时的电阻值，并能够将这个电阻值保持很长时间。所以，用忆阻器存储的数据也不易丢失，非常可靠。
由于忆阻器的读写速度快、集成密度高、成本低和可扩展性好，被认为是最有希望的下一代新兴存储器技术之一。
然而传统忆阻器一般是由金属和氧化物材料构成的（金属作为电极，氧化物材料作为电介质），这就带来一个问题——氧化物材料很“怕热”，它们在高温下通常会发生相变，或是会与金属电极发生反应，这就会导致忆阻器丢失存储的数据。
与传统的忆阻器不同，缪峰教授和同事们使用了硫氧化钼（氧化二硫化钼）和石墨烯分别作为忆阻器的介质层和电极材料，来代替传统忆阻器中的氧化物和金属。你或许听说过石墨烯，它和硫氧化钼一样，都属于一类叫做二维原子晶体的新材料。这类新型材料突出的特点之一，就是它们的晶体结构十分稳定，在耐热性方面比氧化物材料优秀很多，所以用它们做成的忆阻器能耐受的温度也会比传统忆阻器高上不少。
基于二维材料 “不怕热”忆阻器结构示意图，上下蓝色半透明条带为石墨烯电极，夹着中间的黄色介质层硫氧化钼，构成一个三明治结构的“异质结”。图片来源：缪峰团队
缪峰团队发现，新研发的忆阻器能够在高达340℃的温度下稳定工作，并且保持良好的擦写性能。可以想象，如果我们把这种忆阻器应用于手机和电脑等电子产品中，用户就再也不用担心温度过高的问题了！应用于极端环境的行业中，也能够让工程器械摆脱对冷却系统的依赖！
同时，测试结果显示，这种基于全二维材料的忆阻器不仅十分耐热，还非常耐用，可以媲美传统忆阻器，实现超过千万次（107）的可擦写次数（已经超过了我们平时用的优盘了哦），而且擦写速度小于100纳秒。
缪峰团队还和南京大学现代工程与应用科学学院的王鹏教授课题组合作，利用透射电子显微镜对新研发的忆阻器做了进一步研究。他们发现，该忆阻器的耐热性来源于硫氧化钼和石墨烯超高的热稳定性。原来，在擦写的过程中，具有超高热稳定性的单晶石墨烯和层状硫氧化钼一直很好地保护着忆阻器（这样里面引发忆阻器阻值变化的氧离子就不会在高温下乱跑导致数据丢失啦），保证了高温擦写过程中的稳定性。
这项研究工作不仅展示了将不同的二维层状材料堆叠在一起的结构在忆阻器领域中的巨大应用前景，对未来极端环境下电子元件的设计与研究有着重要的指导意义；同时也指出，将不同的二维层状材料堆叠在一起，可以结合各类二维材料的优异性质，给人们提供一种解决其它领域电子器件技术难题的可能的通用途径。（编辑：明天）
参考文献：
- Miao Wang, Songhua Cai, Chen Pan, Chenyu Wang, Xiaojuan Lian, Ye Zhuo, Kang Xu, Tianjun Cao, Xiaoqing Pan, Baigeng Wang, Shi-Jun Liang, J. Joshua Yang*, Peng Wang* & Feng Miao*. (2018) Robust memristors based on layered two-dimensional materials. Nature Electronics,DOI:dx.doi.org/10.1038/s41928-018-0021-4.