多鐵性納米憶阻器的研究現(xiàn)狀和展望

田婭暉 桑柳劍 過飛洋 朱莞楨

江西科技學院信息工程學院 江西南昌 330098

人腦的基本單元是神經(jīng)元，神經(jīng)元的數(shù)量大約為1011個，每個神經(jīng)元與104個其他神經(jīng)元通過突觸進行連接，人腦的重量約1.5千克，而功耗只有大約10W，這在結構、尺寸和功耗上都遠遠超越了現(xiàn)在廣泛使用的計算機。因此，高效率、低耗能的類腦計算技術成為人們追求的方向。類腦計算模擬的是生物神經(jīng)網(wǎng)絡，主要分成兩個方向：一個是人工神經(jīng)網(wǎng)絡，從功能上通過算法編程模仿人腦；一個是神經(jīng)擬態(tài)計算，直接從結構層面去逼近大腦。目前，這兩個方向在硬件上都是采用傳統(tǒng)CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件實現(xiàn)，由此構建的人腦級別的仿神經(jīng)系統(tǒng)體積龐大而又非常耗能。特別是，考慮到神經(jīng)元之間龐大而復雜的連接，系統(tǒng)中突觸矩陣占據(jù)了大量體積。因此，一個緊湊型、節(jié)能型的人工電子突觸是實現(xiàn)人腦級別的神經(jīng)“擬態(tài)”系統(tǒng)的關鍵因素。

一、憶阻器的基本原理

憶阻器(Memristor)作為一種新型非易失性器件，由于具有信息存儲和邏輯運算功能，非常適合做神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)中的人工電子突觸，具有給微電子領域帶來強大變革的能力，受到了學術界和工業(yè)界的關注[1]。它的概念最早是1971年華裔的科學家蔡少棠提出[2]，他在研究電荷(Q)、電流(I)、電壓(V)和磁通量(φ)之間的關系時推斷，在電阻、電容和電感器之外應該還有一種組件，代表著電荷與磁通量之間的關系(如圖1所示)。這種組件的電阻會隨著通過的電流量而改變，即使電流停止，它的電阻仍然會停留在之前的數(shù)值，直到接受到反向電流它才會逐漸回到初始狀態(tài)。因為這樣的組件會“記住”之前的電流量，因此被稱為憶阻器。但直到2008年，惠普公司的研究人員Dmitri B.S.等人在研究Pt/TiO2/TiO2-δ//Pt結構器件(圖2)時才首次證明了憶阻器的存在并發(fā)表在“Nature”期刊上[3]。他們通過計算得到該器件在產(chǎn)生憶阻效應的過程中高阻態(tài)(Rhigh)和低阻態(tài)(Rlow)的比值(Rhigh/Rlow)高達380。這種器件被定義為離子遷移型憶阻器，其數(shù)學模型可以表示為：

(1)

(2)

方程中的M(t)為憶阻器的總阻值，D表示器件的總厚度，I(t)是電流，W(t)是摻雜層的寬度(0

目前憶阻器國外商業(yè)競爭已進入白熱化階段，美國密歇根大學的Sheridan P.M等人于2017年首次對憶阻器網(wǎng)絡進行了編碼，為憶阻器的信息存儲商業(yè)應用提供了重要基礎，其工作發(fā)表在當年的“NatureNanotechnology”期刊上[12]。此外，斯坦福大學Wong H S團隊，日本國立材料科學研究所Aono M團隊先后制備出具有漸變特性的Al2O3、Ag2S憶阻器，并以此開發(fā)出相應的憶阻器人工神經(jīng)突觸[13-14]。國內(nèi)憶阻器的研究和國際水平基本保持同步，相關實驗室已經(jīng)有許多高水平重要成果。比如，清華大學潘峰團隊利用MEH-PPV/PEO-Li+聚合物/電解液雙層膜憶阻器實現(xiàn)了頻率依賴突觸可塑性(SRDP)；華中科技大學繆向水團隊和郭新團隊通過硫化物和WO3憶阻器實現(xiàn)了時間依賴突觸可塑性(STDP)。此外，清華大學施路平、北京大學康晉峰、東北師范大學王中強等團隊也先后制備出具有突觸功能的氧化鐵、InGaZnO憶阻器[13]。

二、多鐵納米憶阻器的研究進展

按照現(xiàn)在類腦計算和人工智能的發(fā)展水平和速度，憶阻器只有獲得更高的效率才能在人工電子突觸的應用中體現(xiàn)出它的優(yōu)勢，并應用在微型仿生器件以及類人機器人中。而提高憶阻器效率的方法有：

(1)提高Rhigh/Rlow，以提高器件響應的強度；

(2)能響應多種信號；

(3)提高器件響應速度；

(4)降低憶阻器的尺寸。

與此同時，多鐵性氧化物因為同時具有鐵電性、鐵磁性和鐵彈性等多個不同物理狀態(tài)，可以受到多種信號調(diào)控，在信息領域有著重要應用前景[14]。因此，研究者試圖把多鐵性氧化物作為憶阻器的憶阻層，可以獲得更小的尺寸、更快的響應速度，以及更高的Rhigh/Rlow。

首次(2013年)把多鐵材料引入憶阻器的是Hong S等人[15]，他們把Pt/BiFeO3/SrRuO3納米結構做成憶阻器原型，在0.5V的讀取電壓下該器件的Rhigh/Rlow數(shù)值高達753，遠高于其他憶阻器[4-7]。該研究認為中間層的BiFeO3(BFO)納米島陣列中存在著豐富的氧空位并假定其為n-型半導體，在極化作用下電極Pt、SrRuO3(SRO)與BFO的界面處的肖特基勢壘通過氧空位的擴散、聚集效應發(fā)生彎曲，產(chǎn)生類似二極管的特性(如圖3)。隨后，又有研究者制備出Ag/多鐵納米線/Ti結構的憶阻器[16-17]，比如CuO、BiCoO3和FeWO4納米線等。這些研究表明多鐵性氧化物可以很好地與憶阻器進行結合。隨后，又有研究者在Ag/(BFO/γ-Fe2O3)/FTO的結構器件中發(fā)現(xiàn)[18]，隨著外加磁場的增加,Rhigh和Rlow發(fā)生了較為明顯的變化，表明了磁場對憶阻器電阻具有調(diào)控作用。緊接著，西南大學李長明團隊在Ag/BiMnO3/Ti納米結構中觀察到光照對憶阻器阻值具有調(diào)控作用[19]。盡管這些研究主要集中在憶阻器兩個穩(wěn)定阻態(tài)(Rhigh/Rlow)的研究，未深入研究外場中器件的學習記憶功能，特別是突觸可塑性，卻也表明應力場、電場、磁場、光場可以對憶阻器的勢壘和界面特性進行調(diào)控，也為進一步實現(xiàn)多鐵納米憶阻器的多場調(diào)控提供了重要的研究基礎。

三、多鐵納米憶阻器的存在的問題

總結前人結果，作者認為基于多鐵材料的憶阻器是最有前途的。最新研究也表明，多鐵納米憶阻器具有很大的應用潛力，距離其實用化似乎只有一步之遙，但是還有許多科學問題要解答：

(1)多鐵納米憶阻器的突觸可塑性機理還不夠明確，其突觸響應強度還需要進一步增強。采用金屬/多鐵/金屬納米結構憶阻器實現(xiàn)這些突觸可塑性的困難，而且其中的微觀機理還不明確，需要進一步闡明。

(2)在納米尺度下，器件將會出現(xiàn)較大的漏電流，需要進一步降低漏電流。根據(jù)隧道結中的理論，隨著器件薄膜厚度的減小，穿透概率逐漸增加，這將阻礙器件的進一步小型化。

(3)采用應力場、電場、磁場和光場等多場多鐵納米憶阻器的機理還不明確。比如，在光場和磁場調(diào)控過程不僅會導致Rhigh/Rlow的變化，而且預設電壓(Vset)和重設電壓(Vrest)也會發(fā)生變化。弄清楚憶阻器多場調(diào)控的機理，對憶阻器性能的調(diào)控將更具有針對性。

四、多鐵納米憶阻器未來展望

根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，多鐵納米結構憶阻器仍然會是比較強勁的發(fā)展態(tài)勢，特別是最近幾年又開發(fā)了很多新的理論和應用。針對本文中提到的問題和今后的發(fā)展趨勢，對多鐵納米結構憶阻器后續(xù)研究的展望主要有：從界面電荷濃度和勢壘演化兩個角度出發(fā)，研究不同納米結構界面阻變機制和突觸可塑性的學習法則；探討多鐵納米結構憶阻器在多場調(diào)控下憶阻弛豫行為、突觸權重變化的物理機制；尋找影響多鐵納米結構憶阻器的響應速度和穩(wěn)定性的主要因素，建立適合的模型實現(xiàn)突觸可塑性。