讓拓?fù)湎嘧兇鎯?shù)據(jù)

樊 貞

華南師范大學(xué)，華南先進(jìn)光電子研究院先進(jìn)材料研究所，廣州，510006

人工基元1

我欲重生數(shù)萬年，

從頭突觸作基元。

金絲通斷人工腦，

阻變神經(jīng)與夢歡。

I.引子

自從在地球上稱王稱霸之后，人類一向?qū)⒆约憾x為有思想的高等動物，無有他類，以顯示高高在上、區(qū)別于一般動物種群。從古到今，這一定義從未受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。也因此，人類在大致理解了人的大腦到底如何實(shí)現(xiàn)思維和思想之后，并沒有花費(fèi)很大力氣去學(xué)習(xí)和制造大腦。當(dāng)然這種理解、這種制造的確也極為困難，非三綱五常所能成事。這種高高在上的狀態(tài)，最后反而因?yàn)槿祟愖陨砘顒拥漠惢霈F(xiàn)失穩(wěn)。最著名的事例即超級計(jì)算機(jī)在與象棋、圍棋大師的快棋決戰(zhàn)中屢屢勝出，極大地打擊了人類那種高高在上、自以為是的氣焰和認(rèn)知。

其實(shí)，類似的事例在過去一二十年中開始變得不那么稀奇。特別是基于人工智能的科技快速發(fā)展，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)若干誕生于人類思想、卻反過來超越人類控制的高科技產(chǎn)品。它們的神奇與出位表現(xiàn)不斷見諸于科幻魔幻作品和現(xiàn)實(shí)世界中，可統(tǒng)稱之為人類科技異化的杰作，就如圖1所示的人類幻象。這一狀況其實(shí)并非是全新的、古來就沒有的。事實(shí)上，人類繁衍后代，總會有很多超越老一代的英才少年。如果我們將人工智能的高科技產(chǎn)品也當(dāng)成英才少年，那么人類的異化其實(shí)很早就開始了，一直在延續(xù)，只不過到如今換了一些面目而已。

圖1人的大腦架構(gòu)了偉大而千變?nèi)f化的思想與思維，是人工智能追求的目標(biāo)和異化的對象。摘自文獻(xiàn)[1]

即便如此，人類那種無止境追求更高、更快、更強(qiáng)的精神不會停歇，也就是人類使自己異化和被異化的步伐不會停歇。至于異化到什么程度，是統(tǒng)治宇宙還是毀滅自己、是相變亦或是走向一個(gè)拓?fù)浞瞧接沟男戮S度，則遠(yuǎn)非我們?nèi)祟愖约嚎梢钥刂频?。這是人類宿命的一種生動映像。

本文從一個(gè)很窄很小的視角，來挑起一方噱頭，以看看追求人工智能的千萬種嘗試之一種。問題不是新問題，但解決問題的路子倒可以是新的。

II.人工突觸與RRAM

到了今天，大數(shù)據(jù)和人工智能已經(jīng)成為每一位時(shí)尚的科技工作者必備的口頭禪。即便我們不喜歡，也要裝作對此愛不釋手，雖然包括筆者在內(nèi)的諸多人其實(shí)并不是很清楚它們到底是什么。諸如人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，使得數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長，由此產(chǎn)生的迫切問題是：面對海量數(shù)據(jù)存儲和運(yùn)算，現(xiàn)有計(jì)算越來越顯得力不從“芯”。舉一個(gè)簡單的例子，谷歌公司開發(fā)的人工智能機(jī)器Alphago（阿法狗），于2016年和2017年分別戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍李世石和柯潔。但是，搭載Alphago的超級計(jì)算機(jī)使用了1202個(gè)CPU和176個(gè)GPU來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、運(yùn)算及決策。這東西吃得多，干活時(shí)的功耗高達(dá)10 kW。保守估算下一盤棋的電費(fèi)成本就達(dá)到3000美元。這一狼吞虎咽之徒，一方面給了人類以喘息的時(shí)間（畢竟制造大腦不容易），但也點(diǎn)出了下一步的挑戰(zhàn)與問題。

現(xiàn)有計(jì)算機(jī)在處理下圍棋這類智能事務(wù)時(shí)，功耗如此之高跟它的馮·諾依曼架構(gòu)有很大關(guān)系。所謂馮·諾依曼架構(gòu)，就是數(shù)據(jù)處理在CPU中進(jìn)行，而數(shù)據(jù)存取由存儲器（如DRAM）完成?？梢钥吹?，CPU和存儲器物理上是分離的，[如圖2(a)]，數(shù)據(jù)需要通過系統(tǒng)總線在兩個(gè)模塊之間頻繁交換。這種數(shù)據(jù)交換是導(dǎo)致大量功耗且限制系統(tǒng)整體速度的瓶頸。

圖2(a)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的存算分離架構(gòu)，(b)混合內(nèi)存計(jì)算（狀態(tài)邏輯計(jì)算）架構(gòu)，(c)類腦計(jì)算（認(rèn)知計(jì)算）架構(gòu)。摘自文獻(xiàn)[2]

怎么辦呢？要更快、更低功耗地完成擊敗人類計(jì)算能力的重任，擺脫現(xiàn)有計(jì)算機(jī)馮·諾依曼架構(gòu)存算分離的限制，就成為重要的選項(xiàng)。這一選項(xiàng)刺激了很多人在過去十余年廢寢忘食、聞雞起舞。一種方案是將CPU和存儲器放在同一芯片上，即混合內(nèi)存計(jì)算架構(gòu)，以減少數(shù)據(jù)交換、提升計(jì)算效率[如圖2(b)所示]。目前及未來一段時(shí)間的技術(shù)水平和路線顯示：這種存算一體芯片制造困難，因?yàn)镃PU和存儲器的制備工藝不兼容。而且，芯片中的存儲器密度受到限制，數(shù)據(jù)存儲規(guī)模有限。因此，人們正在積極嘗試第二種方案：基于新型存儲材料和器件，實(shí)現(xiàn)新的存算一體芯片。例如，類腦計(jì)算芯片[如圖2(c)]。

其實(shí)，我們都知道，人腦只有不到2升的體積。在處理諸如圖像、文字、聲音識別和分類這類復(fù)雜智能事務(wù)時(shí)，人腦比計(jì)算機(jī)更高效，而且功耗很低，僅為0.01 kW。這種高效低耗源于人腦獨(dú)特的結(jié)構(gòu)：人腦記憶和處理信息的基礎(chǔ)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它由約1011個(gè)神經(jīng)元和約1015個(gè)突觸構(gòu)成，從而形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀最佳適配的立體結(jié)構(gòu)。

這里，神經(jīng)元的概念我們經(jīng)常聽說，但突觸這個(gè)概念卻鮮有了解。神經(jīng)元，眾所周知，是 sensors和actuators，用于信息的傳遞與感知。它們聯(lián)絡(luò)和整合輸入信息并傳出信息，像個(gè)司令部。而突觸是神經(jīng)元之間連接部位，突觸的連接強(qiáng)度稱為突觸權(quán)重，突觸權(quán)重會受外加刺激而增強(qiáng)或減弱，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入功能。通過并行讀取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)突觸權(quán)重，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算。換句話說，突觸是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算一體化的核心部件。因此，開發(fā)類腦計(jì)算芯片的關(guān)鍵是：尋找一種具備突觸功能的新型存儲材料和器件。

經(jīng)過很多年大浪淘沙，目前看來，相比于其它新型存儲如鐵電存儲(FRAM)、磁存儲(MMRAM)和相變存儲 (PCRAM)，阻變存儲 (RRAM)更適合于構(gòu)建人工突觸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。羅列一下RRAM的特點(diǎn)和優(yōu)勢：能耗低、速度快，可實(shí)現(xiàn)多態(tài)存儲（對應(yīng)多個(gè)突觸權(quán)重值）；結(jié)構(gòu)簡單，可直接構(gòu)建crossbar形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)然，RRAM并非什么新現(xiàn)象，其研究已歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)[3]。徜徉至今，已有不計(jì)其數(shù)的材料展示了阻變效應(yīng)，諸如氧化物、氮化物、硫化物、鹵化物等各種有機(jī)無機(jī)材料，沒有阻變效應(yīng)的材料反而不多了。這些材料所含元素覆蓋大半個(gè)元素周期表，可選擇和可斟酌的組合巨大，反而讓學(xué)者們左支右絀、不知所措。越是這種狀況，我們都知道（但就是不公開說）越是有嚴(yán)重困難或問題。筆者輕薄，以為關(guān)鍵問題有如下幾個(gè)：

1.材料制備及器件操控過程中參數(shù)選擇的盲目性；

2.阻變性能穩(wěn)定性、可重復(fù)性較差；

3.阻變機(jī)理不清楚。

這幾個(gè)問題是互相關(guān)聯(lián)的。正是由于某種材料中阻變機(jī)理不清楚，才導(dǎo)致人們在材料制備及器件操控過程中不知如何選擇參數(shù)，進(jìn)一步導(dǎo)致測得的阻變性能穩(wěn)定性、可重復(fù)性較差。相應(yīng)地，您也可以認(rèn)為，因?yàn)闆]有穩(wěn)定的性能結(jié)果，對阻變機(jī)理的研究受到了干擾與破壞。

總之，清風(fēng)唱高月，寒意依然重。RRAM的研究任重而道遠(yuǎn)，而當(dāng)務(wù)之急是找到一種材料，它既有穩(wěn)定、可重復(fù)的阻變性能，又有清楚、可靠的阻變機(jī)理。

III.拓?fù)湎嘧?/h2>

萬千陶冶之下，最近的一些苗頭卻顯示：SrCoOx(SCO)、SrFeOx(SFO)等所謂拓?fù)湎嘧儾牧霞捌渥枳冃?yīng)有戲！這里說“有戲”，絕不是指下游產(chǎn)業(yè)的三教九流，而是就其中有趣而獨(dú)特的物理而言，請耐心看筆者啰嗦一二。

所謂拓?fù)湎嘧?，是針對某一材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而言的一種表述，并非嚴(yán)格意義上的拓?fù)鋷缀?。?dāng)然，這里也沒有要拉大旗作虎皮之意，只是借用“拓?fù)洹碧N(yùn)含的穩(wěn)定不變之意來烘托此類材料的高貴品質(zhì)。一般意義上，材料科學(xué)說結(jié)構(gòu)決定性能。某種結(jié)構(gòu)確定了，其性能亦確定無疑。改變材料的化學(xué)組成一般會改變結(jié)構(gòu)，亦即改變性能，這是教科書知識。不過，如果一種材料，雖然其中的磚頭（組成元素）被抽空一二，但骨架依然穩(wěn)固，雖然晶格對稱性或畸變程度有所變化，這樣的材料俗稱拓?fù)湎嘧儾牧稀３榭沾u頭，自可顯著改變性能。

具體到SCO/SFO等，拓?fù)湎嘧冎妇Ц裰蝎@得或失去大量氧離子，化學(xué)計(jì)量比顯著改變，但晶格的整體框架不變。以SFO為例，通過得失氧，SFO可以在SrFeO2.5鈣鐵石(BM)相和SrFeO3鈣鈦礦(PV)相之間互相轉(zhuǎn)變。BM–SFO和PV–SFO兩相不僅晶體結(jié)構(gòu)不同 [如圖 3(a)和 (b)所示]，電子結(jié)構(gòu) [如圖3(c)和(d)所示]及其所關(guān)聯(lián)的導(dǎo)電性、磁性、光學(xué)性質(zhì)等可以有很大差異。因此，SFO及類似材料中的拓?fù)湎嘧兗拔镄赞D(zhuǎn)變是近年來研究的熱點(diǎn)。例如，清華大學(xué)于浦等[4,5]利用離子液體調(diào)控SCO的相變及電、磁、光特性；浙江大學(xué)余倩、物理所谷林、清華大學(xué)南策文等[6]利用電鏡原位觀察SCO中電場誘導(dǎo)氧空位遷移；清華大學(xué)宋成、潘峰等[7-9]利用離子液體調(diào)控SCO/SFO的相變、磁性及阻變。物理所葛琛、金奎娟及鄭州大學(xué)郭海中等[10-12]，利用離子液體、應(yīng)變、超快光，調(diào)控SCO和SFO的相變、磁性及阻變。這些工作都有諸多亮點(diǎn)，引得讀者側(cè)目。

圖 3(a)BM-SFO和 (b)PV-SFO兩相的晶體結(jié)構(gòu)，(c)BM-SFO和 (d)PV-SFO兩相的電子結(jié)構(gòu)。(c)和 (d)摘自文獻(xiàn)[13]

回到RRAM這一話題。圖3(c)顯示，BM-SFO相為絕緣相，因?yàn)閺腛 2p軌道到未占據(jù)的Fe 3d軌道之間的電荷轉(zhuǎn)移能量Δeff為正，形成約為2.0 eV的帶隙。圖3(d)顯示，PV-SFO相為導(dǎo)電相，因?yàn)镺 2p軌道轉(zhuǎn)移一個(gè)電子至Fe 3d軌道，使O 2p軌道中有一個(gè)空穴，處于未填滿狀態(tài)。這時(shí)Δeff為負(fù)，沒有帶隙。

因此，BM-SFO與PV-SFO之間的相變會產(chǎn)生顯著的導(dǎo)電性變化，可被利用為一種阻變機(jī)制。而此時(shí)，這一相變前后的晶格結(jié)構(gòu)保持了很好的穩(wěn)定性。

IV.拓?fù)渲卵捎薪鸾z

好吧，那就開始干活吧，看看這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料到底有幾斤幾兩、幾分顏色可傾城。

很顯然，這些材料可在制備過程中使其明顯缺乏O含量。通過外場，在材料內(nèi)部造成局域O的富集或缺失，就可以導(dǎo)致BM和PV相之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)金屬-絕緣態(tài)的轉(zhuǎn)變。這種BM-PV的拓?fù)湎嘧円驗(yàn)槭蔷钟虻?，因此可以很快。而之前很多RRAM效應(yīng)，需要中程或長程離子遷移來實(shí)現(xiàn)電子態(tài)的轉(zhuǎn)變。這里，快慢就成為隘口！

早前，韓國的C.U.Jung、C.S.Hwang和德國名家Rainer Waser等[13-16]對金屬/SFO（或SCO）/金屬三明治結(jié)構(gòu)中的阻變行為開展了大量研究，報(bào)道了優(yōu)異的阻變性能。例如，較大的開關(guān)比、足夠長的保持時(shí)間、良好的cycle-to-cycle穩(wěn)定性和抗疲勞性。他們提出并通過測量阻態(tài)隨電極面積及溫度的變化，間接證明了導(dǎo)電細(xì)絲模型，即電場誘導(dǎo)局部BM-PV相變，導(dǎo)致細(xì)絲形成/斷裂。

但是，導(dǎo)電細(xì)絲模型缺乏直接觀測證據(jù)，即沒有觀察到PV相細(xì)絲的形成和斷裂。此外，導(dǎo)電細(xì)絲尺寸有多大并不清楚，這使人們對SFO這類拓?fù)湎嘧儾牧献枳兤骷目晌⒖s性、是否能夠用于高密度存儲產(chǎn)生疑問。

因此，要解決的科學(xué)問題簡單明了：

1.提供導(dǎo)電細(xì)絲模型的直接證據(jù)，獲知導(dǎo)電細(xì)絲尺

寸的大小；

2.制備高密度SFO基阻變原型器件，獲得優(yōu)異的

阻變性能。

怎么做呢！

圖4生長在SRO為緩沖層的STO襯底上的SFO薄膜的(a)θ-2θ掃描圖譜，(b)STO(103)峰附近的RSM圖，(c)SFO(1101)(即 H=1,K=10,L=1)峰附近的 RSM圖，(d)低倍和(e)高倍STEM截面圖，以及(f)AFM形貌圖。(b)圖中，SFO(1121)峰和SRO(103)峰重合。(d)和(e)圖中可觀察到類似超晶格的條紋，這是BM相的標(biāo)志，是由于 FeO4四面體和FeO6八面體周期性排列形成的，垂直條紋方向是b軸方向（即箭頭所指方向）。(f)圖右上角小圖是生長完Au納米電極后的形貌圖。摘自文獻(xiàn)[17]

圖 5(a)Pt（200 μm 直徑）/SFO/SRO 器件結(jié)構(gòu)示意圖，(b)阻變I-V特性曲線。摘自文獻(xiàn)[17]

首先，利用脈沖激光沉積 (PLD)在 (001)取向的 SrTiO3(STO)襯底上生長一層SrRuO3(SRO)底電極，然后再生長一層厚度約為 70 nm的 SFO薄膜。X射線衍射 (XRD)θ-2θ掃描、倒易空間掃描 (RSM)及掃描透射電子顯微鏡 (STEM)表征了初始態(tài)SFO薄膜的結(jié)構(gòu)，薄膜主要呈現(xiàn)b軸朝面外的BM相[如圖4(a)～(e)]。BM-SFO正交晶胞的晶格常數(shù)為：bo=～ 15.83 °A（面外）、ao=co=～ 5.52 °A（面內(nèi)）。轉(zhuǎn)換為贗立方晶胞則為：cpc=～3.96°A（面外）、apc=bpc=～3.91°A（面內(nèi)）。制備的薄膜足夠平整，粗糙度僅為0.375 nm[如圖4(f)所示]。

其次，在SFO薄膜上制備了常規(guī)尺寸（～200 μm直徑）的Pt電極[如圖5(a)]，初步測試Pt/SFO/SRO器件的阻變I-V特性曲線，如圖5(b)所示。器件呈現(xiàn)出雙極阻變行為：負(fù)電壓區(qū)由“關(guān)態(tài)”(HRS)轉(zhuǎn)變“開態(tài)”(LRS)，即forming和set。而在正電壓區(qū)，由“開態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤瓣P(guān)態(tài)”，即reset。此外，正、負(fù)電壓區(qū)電流不對稱，可能源于SFO/SRO界面肖特基勢壘。進(jìn)一步對器件的cycle-to-cycle穩(wěn)定性、deviceto-device可重復(fù)性和保持特性進(jìn)行測試，可以表明阻變行為穩(wěn)定、可重復(fù)，從而為進(jìn)一步開展阻變機(jī)理研究和制備小尺寸、高性能阻變器件奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)在可以開始阻變機(jī)理的摸索了。

其一，進(jìn)行若干宏觀電學(xué)測試和結(jié)果分析，包括：(1)觀察到阻變行為需要forming來激活；(2)測得“關(guān)態(tài)”下電阻隨溫度變化斜率遠(yuǎn)大于“開態(tài)”對應(yīng)值；(3)測得“關(guān)態(tài)”下電阻隨電極面積變化斜率遠(yuǎn)大于“開態(tài)”對應(yīng)值；(4)隨限制電流增加，“開態(tài)”對應(yīng)阻值減小。

以上結(jié)果看起來符合導(dǎo)電細(xì)絲模型的預(yù)期，雖然這種預(yù)期到處都是，不足全信。

其二，為獲得更為直接證據(jù)，自然是利用STEM對處于“開態(tài)”和“關(guān)態(tài)”的SFO薄膜微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。如圖6(a)所示，處于“開態(tài)”的SFO薄膜的確存在PV-SFO相導(dǎo)電細(xì)絲，細(xì)絲的平均直徑為～10 nm。PV-SFO相的結(jié)構(gòu)可通過高倍STEM圖像、晶格間距分布圖 (lattice spacing mapping)[如圖 6(b)～(d)所示]、電子能量損失譜(EELS)來確認(rèn)。有趣地是，細(xì)絲接近貫穿BM-SFO基體，但并未完全貫穿（原因見后文），細(xì)絲下方殘留的BM-SFO層可能和SRO形成肖特基勢壘，解釋了之前提到的I-V曲線不對稱現(xiàn)象。

圖6“開態(tài)”下SFO薄膜的(a)低倍STEM圖像；(b)高倍STEM圖像；(c)圖(b)中PV–SFO和BM–SFO兩相界面的放大圖；(d)界面處的晶格間距分布圖。“關(guān)態(tài)”下SFO薄膜的(e)低倍STEM圖像以及(f)靠近導(dǎo)電細(xì)絲下端和(g)靠近導(dǎo)電細(xì)絲上端的高倍STEM圖像。摘自文獻(xiàn)[17]

其三，處于“關(guān)態(tài)”的 SFO薄膜中，可觀察到導(dǎo)電細(xì)絲下端距離SRO更遠(yuǎn)，而上端仍連接著電極[如圖 6(e)～(g)所示]。作為確認(rèn)，對“開態(tài)”和“關(guān)態(tài)”下細(xì)絲下端與SRO距離（即細(xì)絲下方BM-SFO層厚度)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可揭示出“開態(tài)”時(shí)細(xì)絲下方BM-SFO層平均厚度為 ～6.6 nm，而“關(guān)態(tài)”時(shí)細(xì)絲下方BM-SFO層平均厚度增加至～22.5 nm。這種差別表明在reset后導(dǎo)電細(xì)絲的下端確實(shí)發(fā)生了斷裂。

V.電場讀寫機(jī)制

確定了PV-SFO相導(dǎo)電細(xì)絲的存在，接下來就可利用C-AFM對細(xì)絲的形成/斷裂進(jìn)行電場操控。

首先，對指定區(qū)域進(jìn)行 -7.0 V（針尖電壓）寫入。然后，施加-2.0 V電壓進(jìn)行讀取掃描。掃描觀察到 -7.0 V寫入后區(qū)域出現(xiàn)許多導(dǎo)電點(diǎn) [如圖 7(a)]，而且導(dǎo)電點(diǎn)電流峰半高寬約為～20 nm[如圖7(b)]，與STEM觀察到的導(dǎo)電細(xì)絲直徑接近。導(dǎo)電點(diǎn)所在位置恰好是-7.0 V寫入前后表面高度變化(Δh)最大的位置 [如圖 7(b)，這里Δh為負(fù)表明可能發(fā)生 BM→PV相變，因?yàn)?PV相的面外晶格常數(shù) (～3.91°A)比 BM相 (～3.96°A)小]，而不是絕對高度最低位置。以上結(jié)果都表明導(dǎo)電點(diǎn)即為導(dǎo)電細(xì)絲。

施加+4.0 V寫入后，導(dǎo)電點(diǎn)消失[如圖7(c)]，即導(dǎo)電細(xì)絲斷裂。并且，表面高度恢復(fù)至初始態(tài)。電導(dǎo)和高度同時(shí)可逆地變化，表明BM和PV相在電場作用下發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變是導(dǎo)電細(xì)絲形成/斷裂的根本原因。

結(jié)合以上STEM和C-AFM結(jié)果，SFO薄膜中的阻變機(jī)理可理解如下：

1.Forming/Set過程中，導(dǎo)電細(xì)絲形核和生長[如圖8(b)]。細(xì)絲形核可能是由于環(huán)境中O原子在負(fù)電壓作用下被注入SFO中，形成O2-填充氧空位，局部BM相轉(zhuǎn)變?yōu)镻V相。細(xì)絲生長可能對應(yīng)于O2-在電場作用下向下遷移，PV相區(qū)域增大。

2.Reset過程中，導(dǎo)電細(xì)絲斷裂 [如圖 8(c)]，可能是由于靠近表面O2-在被抽出，遠(yuǎn)離表面O2-電場作用下向表面遷移。如果遷移的O2-能夠彌補(bǔ)被抽出的O2-，細(xì)絲上半部分保持連接，而下半部分?jǐn)嗔选?/p>

上述電化學(xué)過程，可通過對比研究大氣和真空環(huán)境下的阻變行為驗(yàn)證，也可測量表面電勢來驗(yàn)證。伴隨這一電化學(xué)過程，導(dǎo)電機(jī)理也發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變，形成阻變：

1.“開態(tài)”下，導(dǎo)電細(xì)絲形成并接近貫穿，電子在細(xì)絲中傳輸容易，電流主要被細(xì)絲下方的BMSFO層限制。鑒于該層很薄(～6.6 nm)，電子能夠以熱發(fā)射形式通過，所以電流相對大，但正、反偏狀態(tài)下電流不對稱[如圖8(e),(f)]。

圖8(a)初始態(tài)SFO薄膜結(jié)構(gòu)示意圖，(b)“開態(tài)”下導(dǎo)電細(xì)絲形成示意圖，(c)“關(guān)態(tài)”下導(dǎo)電細(xì)絲斷裂示意圖，(d)I-V滯回曲線及擬合線，“開態(tài)”下(e)負(fù)電壓區(qū)和(f)正電壓區(qū)電子熱發(fā)射過程示意圖，“關(guān)態(tài)”下(g)正電壓區(qū)電子熱發(fā)射和(h)負(fù)電壓區(qū)電子hopping過程示意圖。摘自文獻(xiàn)[17]

2.“關(guān)態(tài)”下，細(xì)絲下端斷裂，BM-SFO層變寬(～22.5 nm)，負(fù)電壓 (正偏)下電流可能主要被BM-SFO層中的缺陷俘獲所限制，電子需依靠hopping傳輸[如圖 8(h)]。正電壓（反偏）狀態(tài)下電流主要被肖特基勢壘限制，由于BM-SFO層變寬（耗盡層變寬），肖特基勢壘升高，高度相比開態(tài)增加 ～0.1 eV，電流相對變小 [如圖8(g)]。

上述導(dǎo)電模型可以對I-V滯回曲線進(jìn)行解釋，雖然稍顯勉強(qiáng) [如圖 8(d)]。

理解了阻變電化學(xué)和導(dǎo)電過程，可回頭來解釋為什么forming后導(dǎo)電細(xì)絲沒有完全貫穿。施加負(fù)電壓forming過程中，細(xì)絲生長，細(xì)絲下方BM-SFO層逐漸變?。ê谋M層變窄），界面勢壘處于正偏狀態(tài)（電流隨電壓指數(shù)型增加，對應(yīng)電阻隨電壓急劇減少），導(dǎo)致它實(shí)際承擔(dān)電壓占比隨外加電壓增大而減小。最終，當(dāng)BM-SFO層很薄時(shí)，所承擔(dān)電壓不足以驅(qū)動BM→PV相變。

圖9小尺寸Au（邊長～180 nm）/SFO/SRO阻變器件的(a)I-V滯回曲線，(b)不同直流電壓掃描循環(huán)Set和Reset電壓統(tǒng)計(jì)圖，(c)不同器件高、低阻值和開關(guān)比統(tǒng)計(jì)圖，(d)保持性能，(e)阻態(tài)切換時(shí)間，(f)抗疲勞性能。摘自文獻(xiàn)[17]

事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)也制備了～10 nm厚的SFO薄膜。該薄膜很導(dǎo)電，沒有阻變現(xiàn)象，負(fù)電壓作用下BM相也沒有轉(zhuǎn)變?yōu)镻V相。雖然這種很薄的BM-SFO薄膜和導(dǎo)電細(xì)絲下方BM-SFO薄層不能完全類比，但它大致能定性反映出很薄的BM-SFO層為什么比較導(dǎo)電、而所承擔(dān)電壓卻不足以驅(qū)動相變。

這里，整個(gè)故事都是將SFO薄膜中的阻變機(jī)理歸于電場誘導(dǎo)局部BM-PV相變，觸發(fā)導(dǎo)電細(xì)絲形成-斷裂。并且，細(xì)絲的平均直徑僅為～10 nm，為器件微縮和高密度創(chuàng)造了條件。目前，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以制備小尺寸Au（邊長～180 nm）/SFO/SRO阻變器件，它體現(xiàn)出穩(wěn)定、可重復(fù)的雙極性阻變行為（如圖9）：開關(guān)比104、保持時(shí)間長達(dá)105秒、循環(huán)次數(shù)高達(dá)107、阻態(tài)切換時(shí)間為 100 μs?？雌饋恚@是一款可以期待的器件原型。

VI.后話

SFO是近年來備受關(guān)注的阻變性能最優(yōu)異的新興材料之一。當(dāng)然，目前SFO的性能還不能與成熟的阻變材料 (如 HfOx和 TaOx)相比。但 SFO有兩點(diǎn)優(yōu)勢：

1.制備材料時(shí)，目標(biāo)材料組分明確，即SrFeO2.5。對HfOx和TaOx，制備時(shí)x具體為多少并無明確目標(biāo)。很多情況下靠經(jīng)驗(yàn)。

2.阻變機(jī)理明確、可控，即SrFeO2.5與SrFeO3兩相之間的相變。對HfOx和TaOx，電場作用下O化學(xué)計(jì)量比到底如何變化不清楚。

這兩點(diǎn)特色，足夠讓包括筆者在內(nèi)的同行們喝一壺了。筆者認(rèn)為，SFO是有潛力的阻變材料。經(jīng)過不斷優(yōu)化，其性能達(dá)到甚至超過HfOx和TaOx等成熟阻變材料并非白日做夢。而基于本文的闡述，SFO基阻變器件也有望作為人工突觸單元，應(yīng)用到類腦計(jì)算芯片中，最終折騰出一個(gè)如圖10所示的大腦來。那才是人類走向新時(shí)代的起點(diǎn)！

圖10人工智能之類腦計(jì)算和思維？[18]

筆者狂妄，以為SFO這類拓?fù)湎嘧儾牧系淖枳儥C(jī)理（即電場誘導(dǎo)局部BM-PV相變導(dǎo)致的導(dǎo)電細(xì)絲形成/斷裂）值得細(xì)細(xì)揣摩、深入挖掘。SFO到底能否用于制備高密度、高性能阻變存儲器，又成為一個(gè)很好的研究課題。

不管前景如何，先發(fā)篇文章最重要！于是，筆者與一眾同行將這一工作匆匆寫就，以 Nanoscale topotactic phase transformation in SrFeOx epitaxial thin films for high-density resistive switching memory為題，作為研究通訊最近刊登于 Advanced Materials上(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903679)。華南師范大學(xué)先進(jìn)材料研究所的碩士生田浚江、新加坡國立大學(xué)武海軍博士為論文一作，筆者與新加坡國立大學(xué) Stephen.J.Pennycook為論文通訊作者。結(jié)果得以成文，當(dāng)有賴于鄭州大學(xué)郭海中、清華大學(xué)于浦、華南師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)（陸旭兵、周國富、高興森）等參與。所謂“無以賴高山，無以成流水”，謹(jǐn)致謝意！