納流體憶阻器在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中電學(xué)測(cè)試

文/李昕澤

1 憶阻器概述

憶阻器是一種非線性的兩端器件，最早的概念是由華裔科學(xué)家蔡少棠在 1971 年提出。根據(jù)蔡提出的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式，憶阻器有以下特點(diǎn)：憶阻器的電阻大小不是恒定不變的，取決于之前流過(guò)器件的電流大小。這種器件能夠記錄它之前流過(guò)的電流大小，因此它具有非易失性特點(diǎn)。當(dāng)停止給器件供電，憶阻器可以記錄下當(dāng)前的阻值狀態(tài)。它獨(dú)特的 I-V 特性曲線和阻值變化使它成為未來(lái)計(jì)算和存儲(chǔ)系統(tǒng)很重要的元器件。相對(duì)于SRAM和 SRAM, 它的非易失性，低功耗和大開關(guān)速率具有很大的替代優(yōu)勢(shì)。另外，由于它的易失性，憶阻器也可以作為閃存的存儲(chǔ)單元使用。憶阻器的提出和發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)非馮諾依曼計(jì)算體系的實(shí)現(xiàn)提供可能。此外，由于憶阻器的各種特點(diǎn)，憶阻器可以模擬生物突觸的行為例如長(zhǎng)程激發(fā)（LTP）,長(zhǎng)程抑制（LTD）,短程激發(fā)，短程抑制和脈沖時(shí)序可塑性（STDP）?？茖W(xué)家們現(xiàn)在致力于使用憶阻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)算，使機(jī)器像人腦一樣工作。由于憶阻器的特殊性質(zhì)，它的應(yīng)用非常廣泛。

2 憶阻器原理

根據(jù)最開始蔡少棠教授在 1971 年最原始的定義，憶阻器是被稱為第四種最基本的無(wú)源電子元件（其他三種分別是電阻，電容，電感）。四種器件的微分形式定義及關(guān)系如下圖所示。憶阻器最基本的數(shù)學(xué)定義方程如下：

圖1：泰克4200A-SCS半導(dǎo)體特性測(cè)試儀

其中w是器件的狀態(tài)變量，R是器件的電阻，阻值大小主要取決于器件的內(nèi)部狀態(tài)。這種情況下的狀態(tài)變量?jī)H僅指的是電荷量，但是沒有哪種真實(shí)物理模型能夠滿足這個(gè)方程條件。在 1976 年 Chua 和 Kang 推廣了憶阻器的概念，即更廣泛的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可以成為憶阻系統(tǒng)，通過(guò)方程描述如下：

其中R和f都是時(shí)間的變量。

3 納流憶阻器特性測(cè)試及熒光表征

納流體憶阻器是一種基于納米溝道的流體型納米器件，普通的半導(dǎo)體器件測(cè)試系統(tǒng)不能滿足其電學(xué)特性測(cè)試的需求。因此本文設(shè)計(jì)了一種適用于納流體憶阻器電學(xué)特性測(cè)試的系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖1所示,測(cè)試系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體特性測(cè)試儀（泰克4200A-SCS和安捷倫B1500A），帶有鱷魚夾的三同軸屏蔽線，Ag/AgCl參比電極，電磁屏蔽盒等組成。

3.1 半導(dǎo)體特性測(cè)試儀

本文使用的半導(dǎo)體特性測(cè)試儀是泰克4200A-SCS和安捷倫B1500A。其中主要使用4200A的SMU(源測(cè)量單元)對(duì)納流體憶阻器的I-V特性和I-t特性進(jìn)行測(cè)試，儀器實(shí)物圖如圖1所示。而主要使用安捷倫B1500A的脈沖測(cè)量單元對(duì)納流體憶阻器的脈沖響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示。

泰克4200A-SCS的源測(cè)量單元主要性能指標(biāo)如下：

（1）±210V/100mA或±210V/1A模塊；

（2）100fA測(cè)量分辨率；

（3）選配前端放大器提供了10nA測(cè)量分辨率；

圖2：安捷倫B1500A半導(dǎo)體特性測(cè)試儀

（4）10mHz-10Hz超低頻率電容測(cè)量；

（5）四象限操作；

（6）2線或4線連接。

由于本納流體憶阻器的測(cè)試電流是nA級(jí),因此該測(cè)試單元滿足測(cè)試需求。

B1500A的脈沖測(cè)量單元主要性能指標(biāo)如下：

（1）高達(dá)±40V的高壓輸出適用于非易失性存儲(chǔ)器測(cè)試；

（2）單通道的兩級(jí)和三級(jí)脈沖功能；

（3）靈活的任意波形生成，分辨率為10ns（任意線性波形生成功能）；

（4）每個(gè)模塊兩個(gè)通道。

納流體憶阻的脈沖響應(yīng)脈寬在ms級(jí)，電壓幅值在±10V左右。因此B1500A的脈沖測(cè)量單元滿足測(cè)試需求。

3.2 屏蔽線

本測(cè)試系統(tǒng)屏蔽線主要作用時(shí)引出半導(dǎo)體特性測(cè)試儀中的信號(hào)，并屏蔽外界信號(hào)的干擾。

3.3 Ag/AgCl參比電極

Ag/AgCl參比電極一種在電化學(xué)領(lǐng)域比較常用的參比電極,實(shí)物圖如3所示。電極用作氧化還原電極，氧化還原平衡反應(yīng)發(fā)生在Ag和AgCl之間，這個(gè)反應(yīng)具有快速得電極動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，氧化還原得效率為100%，電極可以通過(guò)很大的電流。同時(shí)此電極在高溫高壓的水溶液中溶解度很好，具有非常高的穩(wěn)定型，即使電極附近發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，電極表面也會(huì)保護(hù)得很好，因此在電化學(xué)測(cè)試過(guò)程中電勢(shì)穩(wěn)定，電學(xué)重現(xiàn)性好，不會(huì)對(duì)待測(cè)溶液體系產(chǎn)生影響。本文使用的Ag/ACl參比電極的直徑是1mm。

4 納流體憶阻器電學(xué)特性測(cè)試結(jié)果及分析

搭建好測(cè)試設(shè)備后，分別將KCl溶液和離子液體注入到納流體器件的兩端，然后測(cè)試納流體憶阻器的基本電學(xué)特性：I-V特性曲線，如圖4所示。

這里采用的電壓掃描范圍是-20V到+20V，掃描電壓步長(zhǎng)是0.5V,每個(gè)步長(zhǎng)的延遲時(shí)間是2s，其中圖中的紅線表示只加入KCl溶液到器件中，這時(shí)候器件的電導(dǎo)非常大，而圖中的深灰色線表示只加入離子液體，這時(shí)候器件的電導(dǎo)很小，中間幾條遲滯回線是一端加入離子液體而另一端加入不同濃度的KCl溶液，這個(gè)充分說(shuō)明加入兩種不同的溶液可以調(diào)控器件的電導(dǎo)，而且遲滯現(xiàn)象非常明顯。進(jìn)一步觀察圖中幾個(gè)濃度條件下的遲滯回線，我們可以看到KCl溶液的濃度在100mM的時(shí)候遲滯回線的窗口最大。為了量化觀察不同濃度KCl溶液在器件中的表現(xiàn)，我們提取圖4最高阻態(tài)和最低阻態(tài)的數(shù)據(jù)作出圖5。

通過(guò)圖5中所示，可以清晰的看到在不同濃度下，器件的高低阻態(tài)的差別，也就是憶阻器開關(guān)比的差別，這個(gè)可以更直觀地看到100mM KCl溶液注入到器件中可以獲得最大的開關(guān)比。影響開關(guān)比大小的因素有幾個(gè)：

（1）盡管濃度最大的KCl溶液可以使器件的理論最大值和論最小值達(dá)到最大，但是這種情況下相同電壓幅值對(duì)電導(dǎo)的調(diào)節(jié)能力變?nèi)?，使得器件要達(dá)到最大開關(guān)比需要更大的工作電壓。這是由于高濃度的KCl溶液的雙電荷層厚度變小，電壓調(diào)節(jié)器件中液面位置的能力變差；

（2）KCl溶液濃度小得時(shí)候，雙電荷層厚度大，但是器件的理論最大電導(dǎo)和最小電導(dǎo)的差距比較小，因此反應(yīng)到圖中高低阻態(tài)的間隔比較小。這種物理機(jī)制將在后面的第四章數(shù)學(xué)建模部分會(huì)做詳細(xì)的分析。通過(guò)對(duì)電學(xué)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，我們推斷納米溝道兩種溶液在不同電場(chǎng)方向下的離子移動(dòng)行為。

5 總結(jié)

本論文主要介紹使用半導(dǎo)體特性測(cè)試儀對(duì)納流體憶阻器進(jìn)行電學(xué)特性測(cè)試，同時(shí)引入熒光表征的方法表征納流體器件的工作機(jī)制。首先仿照電化學(xué)領(lǐng)域的方法搭建測(cè)試平臺(tái)，然后使用傳統(tǒng)測(cè)試憶阻器的方法對(duì)納流體憶阻器進(jìn)行電學(xué)測(cè)試，獲得 I-V 特性曲線，脈沖響應(yīng)曲線和器件保持特性曲線。接著使用熒光顯微鏡和電學(xué)測(cè)試設(shè)備同時(shí)使用，搭建一套基于時(shí)間關(guān)系的電學(xué)驅(qū)動(dòng)熒光顯微平臺(tái)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熒光在納米溝道中的變化，驗(yàn)證了納流體憶阻器界面移動(dòng)的推測(cè)。

圖3：Ag/AgCl參比電極實(shí)物圖

圖4：不同KCl溶液濃度的I-V特性曲線，電壓范圍-20V到+20V

圖5：不同濃度KCl溶液納流體憶阻器高低阻態(tài)的電導(dǎo)差距