界面效应调制忆阻器研究进展

忆阻器因其优异的非易失存储特性,且具有结构简单、存储速度快、能耗低、集成度高等优势,在新型电子器件研究领域引起了广泛关注.本文从忆阻器结构出发,对忆阻器主要材料、机理等进行了综述,介绍了忆阻器在电子电路及人工智能等领域的研究进展,重点讨论了界面效应对忆阻行为及性能改善等方面的重要作用,提出了界面纳米点嵌入结构对优化忆阻性能的显著效果,并分析了忆阻器可能的发展趋势.     

忆阻器及其阻变机理研究进展

忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四种电路元件,在信息存储、逻辑运算和神经网络等研究领域具有重要的应用前景.本文综述了忆阻器以及忆阻器材料的研究进展,主要介绍了忆阻器的内涵与特征、阻变机理、材料类型以及应用前景,指出了目前忆阻器研究中需要关注的主要问题,并对以后的发展趋势进行了展望.     

面向感存算一体化的光电忆阻器件研究进展

脑启发神经形态计算系统有望从根本上突破传统冯·诺依曼计算机系统架构瓶颈,极大程度地提升数据处理速度和能效.新型神经形态器件是构建高能效神经形态计算的重要硬件基础.光电忆阻器作为新兴的纳米智能器件,因具备整合光学感知、信息存储和逻辑计算等功能特性,被认为是发展类脑视觉系统的重要备选.本文将综述面向感存算功能一体化的光电忆阻器研究进展,包括光电忆阻材料与机制、光电忆阻器件与特性、感存算一体化功能及应用等.具体将根据机制分类介绍光子-离子耦合型和光子-电子耦合型光电忆阻材料,根据光电忆阻特性调节方式介绍光电调制型和全光调制型光电忆阻器件,根据感存算一体化功能介绍其在认知功能模拟、光电逻辑运算、神经形态视觉功能、动态探测与识别等方面的应用.最后总结光电忆阻器的主要优势以及所面临的挑战,并展望光电忆阻器的未来发展.     

氧化物基忆阻型神经突触器件

忆阻器具有高密度、低功耗和阻值能够连续可调的特性,被认为是模拟神经突触最具潜力的候选者.而金属氧化物,因其氧离子可迁移,组分易于调控,与传统CMOS兼容等优点,是发展高性能忆阻器件的理想材料.本文首先介绍了氧化物基忆阻器件阻变行为及其运行机制,包括数字型和模拟型忆阻器.主要综述了基于模拟型忆阻器实现的突触器件认知功能模拟,包括非线性传输特性、时域突触可塑性、经验式学习和联合式学习等.然后进一步介绍了忆阻型突触器件在模式识别、声音定位、柔性可穿戴和光电神经突触方面的潜在应用.最后总结展望氧化物基忆阻神经突触在相关领域的可能发展方向.     

蚕丝基可穿戴传感器的研究进展

近年来,可穿戴电子产品得到了广泛的研究,为健康监测、人类疾病诊断和治疗以及智能机器人提供了新的机会.传感器是可穿戴电子产品的关键组成部分之一.蚕丝(bombyx mori)材料具有高产量、优异的拉伸强度(0.5—1.3 GPa)和韧性(6×104—16×104 J/kg)、良好的生物相容性、可降解性以及易加工性等特征.随着生物材料和相关制造技术的快速发展,蚕丝基先进材料被研究应用在可穿戴传感器中.本文首先介绍了蚕丝自下而上的层结构以及蚕丝基先进材料的形态和特点,随后综述了近年来蚕丝在可穿戴传感领域的研究进展,包括机械(应力、应变)传感器、电生理传感器、温度传感器及湿度传感器等.讨论和总结了不同传感器的工作机制、结构和性能,蚕丝蛋白在其中的作用以及它们在健康监测中的应用.最后,提出蚕丝基可穿戴传感器在实际应用中所面临的挑战和未来展望.     

一种适用于大规模忆阻网络的忆阻器单元解析建模策略

忆阻网络是一种基于忆阻器单元的大规模非线性电路,在下一代人工智能、生物电子、高性能存储器等新兴研究领域发挥着重要作用.描述忆阻器单元物理和电学特性的模型对忆阻网络的性能仿真具有显著影响.然而,现有模型主要为非解析模型,应用于忆阻网络分析时可能存在收敛性问题.因此,提出了一种基于同伦分析法(homotopy analysis method, HAM)的忆阻器单元解析建模策略,该策略具有解析性和收敛性优化的特点,可提高忆阻器单元和相应忆阻网络的收敛性.此外,还提出了一种面向忆阻器单元模型的验证准则,以验证模型在大规模忆阻网络中的适用性.通过忆阻器单元和忆阻矩阵网络的长时演化实验以及与传统非解析(数值)方法的比较,验证了所提策略的解析性和收敛性优势;利用不同类型忆阻器单元和输入的实验,验证了该策略的扩展性.进一步地,基于上述实验,揭示了忆阻网络仿真出现收敛性问题的潜在原因.该策略可应用于基于忆阻网络的新兴研究.     

忆阻类脑计算

随着深度学习的高速发展,目前智能算法的飞速更新迭代对硬件算力提出了很高的要求.受限于摩尔定律的告竭以及冯·诺伊曼瓶颈,传统CMOS集成无法满足硬件算力提升的迫切需求.利用新型器件忆阻器构建神经形态计算系统可以实现存算一体,拥有极高的并行度和超低功耗的特点,被认为是解决传统计算机架构瓶颈的有效途径,受到了全世界的广泛关注.本文按照自下而上的顺序,首先综述了主流忆阻器的器件结构、物理机理,并比较分析了它们的性能特性.然后,介绍了近年来忆阻器实现人工神经元和人工突触的进展,包括具体的电路形式和神经形态功能的模拟.接着,综述了无源和有源忆阻阵列的结构形式以及它们在神经形态计算中的应用,具体包括基于神经网络的手写数字和人脸识别等.最后总结了目前忆阻类脑计算从底层到顶层所遇到的挑战,并对该领域后续的发展进行了展望.     

大面积a-MoO_3的制备及其存储计算研究进展

近年来, a-MoO_3在忆阻器件的研究中得到广泛关注,其中氧含量的变化导致电阻率的改变,以及独特的层状结构有利于各种离子的插层从而调节电导,因此其在离子栅结构的突触晶体管的研究中发挥出重要作用.本文主要对层状a-MoO_3的基本性质、二维层状a-MoO_3的大面积制备方法和特性及其在存储计算领域的应用进展进行了分析.首先阐述了a-MoO_3的晶体结构、能带结构以及缺陷态.对比了大面积a-MoO_3的制备方法,包括一步法直接得到a-MoO_3纳米片,以及通过磁控溅射和原子层沉积方法结合后退火工艺实现a-MoO_3薄膜的制备.详细讨论了不同合成方法制得的a-MoO_3在存储计算应用中的优势.对比a-MoO_3在阻变存储中的器件性能,总结a-MoO_3基神经突触器件性能及其应用进展.最后,结合a-MoO_3近期研究进展展望了其在存储计算领域的机会与挑战.     

钙钛矿相界面插层对SrFeOx基忆阻器的性能提升

SrFeO_x(SFO)是一种能在SrFeO_2.5钙铁石(BM)相和SrFeO₃钙钛矿(PV)相之间发生可逆拓扑相变的材料.这种相变能显著改变电导却维持晶格框架不变,使SFO成为一种可靠的阻变材料.目前大部分SFO基忆阻器使用单层BM-SFO作为阻变功能层,这种器件一般表现出突变型阻变行为,因而其应用被局限于两态存储.对于神经形态计算等应用,单层BM-SFO忆阻器存在阻态数少、阻值波动大等问题.为解决这些问题,本研究设计出BM-SFO/PV-SFO双层忆阻器,其中PV-SFO层为富氧界面插层,可在导电细丝形成过程中提供大量氧离子并在断裂过程中回收氧离子,使导电细丝的几何尺寸(如直径)在更大范围内可调,从而获得更多、更连续且稳定的阻态,可用于模拟长时程增强和抑制等突触行为.基于该器件仿真构建了全连接神经网络(ANN),在手写体数字光学识别(ORHD)数据集进行在线训练后获得了86.3%的识别准确率,相比于单层忆阻器基ANN的准确率提升69.3%.本研究为SFO基忆阻器性能调控提供了一种新方法,并展示了它们作为人工突触器件在神...     

一种改进的WOx忆阻器模型及其突触特性分析

忆阻器被定义为第四种基本电子元器件, 其模型的研究呈现多样性. 目前, 忆阻器模型与忆阻器实际特性的切合程度引起了研究者的广泛关注. 通过改变离子扩散项, 提出了一种新的WO_x忆阻器模型, 更好地匹配了忆阻器的实际行为特性. 首先, 新的模型不仅能够描述忆阻器的一般特性, 而且能够俘获记忆丢失行为. 另外, 将新的忆阻器作为神经突触, 分析了脉冲速率依赖可塑性、短期可塑性、长期可塑性, 并发现了与生物系统中极为相似的“经验学习”现象. 最后, 考虑到温度与离子扩散系数的关系, 探讨了温度对突触权值弛豫过程的影响. 实验表明, 新忆阻器模型比原来的模型更切合实际, 且更适合作为突触而应用到神经形态系统之中.     

应用于感存算一体化系统的多模调控忆阻器

交互式人工智能系统的构建依赖于高性能人工感知系统和处理系统的开发.传统的感知处理系统传感器、存储器和处理器在空间上是分离的,感知数据信息的频繁传输和数据格式转换造成了系统的长延时与高能耗.受生物感知神经系统的启发,耦合感知、存储、计算功能的感存算一体化技术为未来感知处理领域提供了可靠的技术方案.具有感知光、压力、化学物质等能力的忆阻器是应用于感存算一体系统的理想器件.本文从器件层面综述了应用于感存算一体化系统忆阻器的研究方向和研究进展,包括视觉、触觉、嗅觉、听觉和多感官耦合类别,并在器件、工艺与集成、电路系统架构和算法方面指出现阶段的挑战与展望,为未来神经形态感存算一体化系统的发展提供可行的研究方向.     

非铅卤素钙钛矿及其阻变性能研究进展

近年来,铅基卤素钙钛矿因其制备工艺简单、载流子扩散距离长以及离子迁移速率快等优点而被应用于阻变存储器.然而,铅基卤素钙钛矿结构中的铅对人类健康与环境保护存在威胁,限制了铅基卤素钙钛矿在数据存储领域的实际应用.研究者们针对铅基钙钛矿铅毒性的问题展开了一系列研究.其中,非铅卤素钙钛矿因不含铅而被认为是最有前景的下一代新型阻变存储介质材料.最近几年,锡基、铋基、锑基和铜基等非铅卤素钙钛矿被引入阻变存储器领域.本文系统地综述了非铅卤素钙钛矿材料及其阻变性能,归纳了非铅卤素钙钛矿的阻变性能及其阻变机理,指出了非铅卤素钙钛矿材料应用于阻变存储器存在的关键问题,为进一步研究非铅钙钛矿阻存储器提供了参考.     

纳米级尺寸参数对钛氧化物忆阻器的特性影响

随着忆阻器研究的不断深入, 忆阻器的研究已经进入微观阶段, 包括忆阻器内部结构的探究、内部粒子间的运动规律、各参数对忆阻器特性的影响等. 然而, 这些成果中没有关于尺寸参数对忆阻器特性影响的研究, 而尺寸参数是忆阻器成功制备的关键因素之一, 这大大限制了忆阻器的发展和实际应用. 本文从欧姆电阻定律入手, 从理论角度详细分析了尺寸参数对惠普忆阻器以及自旋忆阻器的性能影响. 在此基础上进行了一系列电路仿真实验, 得到不同尺寸参数下忆阻器的相关特性曲线. 文中各选取其中最具代表性的四组实验结果进行展示, 对这些结果进行了详细分析, 得到了惠普忆阻器工作的最佳尺寸范围在8-12 nm之间以及自旋忆阻器工作的最佳尺寸范围在500-600 nm 之间的结论. 实验结果不仅可为实际运用提供有力的支持, 同时也将为进一步研制钛氧化物忆阻器器件和相关理论工作提供重要的实验基础和理论依据.     

两类纳米级非线性忆阻器模型及串并联研究

忆阻器是一种新型的非线性动态可变电阻器,其阻值的变化依赖于通过它的电荷量或磁通量.作为第四种基本电路元器件,忆阻器在非易失性存储器、非线性电路及系统、神经形态系统等领域中有巨大的应用潜能.忆阻器串并联组合电路具有比单个忆阻器更为丰富的器件特性,引起了研究者越来越多的关注.本文推导了带有窗函数的闭合形式的电荷及磁通量控制的忆阻器非线性模型,能够有效地模拟忆阻器边缘附近的非线性离子迁移现象,同时保证忆阻器的边界条件.进一步,分别从忆阻器的器件参数和激励阈值两个角度,对忆阻器串并联电路进行了全面的理论推导和数值分析.为了更加直观地观察忆阻器串并联特性,设计了一种基于Matlab的忆阻器串并联图形用户界面,能够清晰地展示两种分类方式下忆阻系统的器件特性,可为忆阻器组合电路的后续研究提供良好的理论参考和实验依据.     

基于忆阻器的spiking神经网络在图像边缘提取中的应用

根据生物视觉系统的功能原理,用忆阻器模拟生物突触,结合忆阻器的记忆特性和spiking神经网络的高效处理能力,构造了一种可用于图像边缘提取的三层spiking神经网络模型,该网络用忆阻器电导的变化量来表征图像边缘信息,仿真结果表明,该方法的边缘提取结果具有连续性、光滑性、低误检漏检性和边缘定位准确性,该神经网络的处理过程符合生物信息处理机制,为视觉系统的仿生实现提供了新的思路。     

铝基薄膜忆阻器作为感觉神经系统的习惯化特性

感觉神经系统可在外界刺激与生物体反应之间建立联系.感觉神经系统中的最小单位神经元可直接将外界刺激传递至中枢神经,再由中枢神经通过控制和调节生物体对外界刺激作出反应.神经突触连接了相邻神经元进行脉冲信息传递功能.习惯化是神经突触在信息传递中过滤外界无关信息时的一个基本特性,可以让感觉神经系统更快速地适应外界环境变化.忆阻器模拟神经突触功能在近年获得进展,然而针对以忆阻器为基础的具有习惯化特性的神经突触以及完整神经系统的研究相对匮乏.本文利用磁控溅射技术制备了厚度约为40 nm且含铝纳米颗粒的氮化铝薄膜忆阻器,并发现这种结构忆阻器对于重复的外界刺激有明显的习惯化行为,该行为与感觉神经系统的习惯化特性极为相似.若将这种具有习惯化的神经突触与感觉神经元串联,可形成LIF(leaky integrate-and-fire)生物模型模拟完整的神经系统行为,也为忆阻器在第三代神经网络(脉冲神经网络)中的应用提供理论参考.     

忆阻器研究新进展:基于二维材料的可耐受超高温忆阻器

正忆阻器是一种由两个端子和一个导电通道组成的电子元件,其电阻可以通过施加的电压或电流操作进行调节。因此,该器件是一种具有"记忆"能力的电阻,并可应用于存储和类脑计算等领域。华裔科学家蔡少棠在1971年首先提出了忆阻器的概念。他指出除了电阻器、电感器和电容器之外,还应该存在第四种基本电路元件,即忆阻器[1]。2008年,惠普实验室首次从实验上建立了忆阻器的概念与固态电子器件的联系[2],证实     

基于二维材料MXene的仿神经突触忆阻器的制备和长/短时程突触可塑性的实现

兼具长时程可塑性与短时程可塑性的电子突触被认为是类脑计算系统的重要基础.将一种新型二维材料MXene应用到忆阻器中,制备了基于Cu/MXene/SiO_2/W的仿神经突触忆阻器.结果表明, Cu/MXene/SiO_2/W忆阻器成功实现了稳定的双极性模拟阻态切换,同时成功模拟了生物突触短时程可塑性的双脉冲易化功能和长时程可塑性的长期增强/抑制行为,其中双脉冲易化的易化指数与脉冲间隔时间相关. Cu/MXene/SiO_2/W忆阻器的突触仿生特性,归功于MXene辅助的Cu离子电导丝形成与破灭的类突触响应机理.由于Cu/MXene/SiO_2/W忆阻器兼具长时程可塑性与短时程可塑性,其在突触仿生电子学和类脑智能领域将会具有巨大的应用前景.     

忆阻器:一种具有革命性意义的技术

综述了忆阻器的发明,忆阻器是2 500年前古中国神秘主义哲学家给出的一个设想,其发明可媲美门捷列夫化学元素周期表、发现太阳系行星、发现"上帝粒子"、发现宇宙超对称、捕捉到黑能量。忆阻器被称为电路世界中的第四种基本电路元件,将对未来计算和电子工程等领域产生深远的影响。     

忆阻混沌电路的分析与实现

具有记忆功能的忆阻器是除电阻器、电容器和电感器之外的第四种基本二端电路元件. 提出了由φ-q平面上的一条三次单调上升的非线性曲线来确定的光滑磁控忆阻器,它有着斜"8"字形的类紧磁滞回线的伏安特性曲线. 采用此忆阻器和负电导构成的有源忆阻器替换蔡氏混沌电路中的蔡氏二极管,导出了一个基于忆阻器的混沌振荡电路. 此外,利用常规的运算放大器和乘法器等元器件给出了有源忆阻器的等效电路实现形式. 理论分析、数值仿真和电路仿真结果一致,均表明忆阻混沌电路的动力学行为依赖于忆阻器的初始状态,在不同初始状态下存在混沌振荡、周期振荡或稳定的汇等不同的运行轨道. 关键词： 忆阻器 混沌电路 初始状态 等效电路