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.     

Ti/HfO2/Pt阻变存储单元中的氧空位聚簇分布

为了研究阻变存储器导电细丝的形成位置和分布规律, 使用X射线光电子能谱研究了Ti/HfO₂/Pt阻变存储器件单元中Hf 4f的空间分布, 得到了阻变层的微结构信息. 通过I-V测试, 得到该器件单元具有典型的阻变特性; 通过针对Hf 4f的不同深度测试, 发现处于低阻态时, 随着深度的增加, Hf⁴⁺化学组分单调地减小; 而处于高阻态和未施加电压前, 该组分呈现波动分布; 通过Hf⁴⁺在高阻态和低阻态下组分含量以及电子能损失谱分析, 得到高阻态下Hf⁴⁺组分的平均含量要高于低阻态; 另外, 高阻态和低阻态下的O 1s谱随深度的演变也验证了Hf⁴⁺的变化规律. 根据实验结果, 提出了局域分布的氧空位聚簇可能是造成这一现象的原因. 空位簇间的链接和断裂决定了导电细丝的形成和消失. 由于导电细丝容易在氧空位缺陷聚簇的地方首先形成, 这一研究为导电细丝的发生位置提供了参考.     

Ni/HfO_2/Pt阻变单元特性与机理的研究

研究了Ni/HfO2(10 nm)/Pt存储单元的阻变特性和机理.该器件具有forming-free的性质,还表现出与以往HfO2(3 nm)基器件不同的复杂的非极性阻变特性,并且具有较大的存储窗口值(105).存储单元的低阻态阻值不随单元面积改变,符合导电细丝阻变机理的特征.采用X射线光电子能谱仪分析器件处于低阻态时的阻变层HfO2薄膜的化学组分以及元素的化学态,结果表明,Ni/HfO2/Pt阻变存储器件处于低阻态时的导电细丝是由金属Ni导电细丝和氧空位导电细丝共同形成的.     

基于串并联磁控忆阻器的耦合行为研究

忆阻器是纳米级器件, 其功耗低, 集成度高, 有着巨大的应用潜能. 单个器件具有丰富的电学性质, 其串并联电路更展现了丰富的动力学行为. 然而, 忆阻器在高密度集成的环境下, 其耦合效应不可忽视. 因此, 本文首先基于磁控忆阻器推导了耦合忆阻器的数学模型. 其次, 在考虑不同极性连接和耦合强度的前提下, 讨论两个磁控忆阻器串并联的耦合情况, 进行了详细的理论分析, 并通过数值仿真探索了耦合效应对忆阻系统的影响. 同时, 设计了基于Matlab的图形用户界面, 直观地展示了不同参数下的耦合特性曲线. 进一步, 本文展示了有无耦合情况下, 初始阻值对忆阻器正常工作范围的影响. 最后, 构建耦合忆阻器的Pspice仿真器, 从电路的角度再次验证了忆阻器间的耦合效应. 实验结果表明: 同极性耦合增强了阻值的改变, 相反极性的耦合减缓了阻值的改变. 这些动力学特性可以很好地应用于忆阻网络中, 也为全面考虑忆阻系统电路的设计提供了强大的理论基础.     

基于有机/无机双层忆阻器的人工光电神经元

提出了一种基于Ag/IDTBT/ZnO/Si忆阻器的人工神经元器件,该器件开关比约为102～103且有较低的工作电压。该器件能够模拟泄漏集成点火的神经元模型。此外,研究了IDTBT浓度对人工神经元器件性能的影响。结果表明：IDTBT浓度的增加会导致薄膜厚度的增加,进而会使得神经元器件的阈值电压升高以及积分点火所需要的幅值电压变大。当有光照射之后,器件的阈值电压会明显降低。在器件储存了30天后重新测试,器件性能没有明显的变化,说明该器件具有良好的稳定性。本工作为促进神经形态系统的发展提供了有效的策略。     

荷控忆阻器等效电路分析模型及其电路特性研究

忆阻器是物理上新实现的具有记忆特性的基本二端电路元件. 根据φ-q关系式的泰勒级数形式构建了荷控忆阻器等效电路分析模型, 以三次非线性荷控忆阻器模型为例, 对不同参数条件下的荷控忆阻器进行了伏安关系、有无源性等电路特性的理论分析. 结果表明: 荷控忆阻器的伏安关系具有斜体“8”字形紧磁滞回线特性, 随其参数符号的不同, 荷控忆阻器呈现出无源性和有源性, 导致其电路特性发生相应的变化; 相比无源荷控忆阻器, 有源荷控忆阻器更适用于作为二次谐波信号产生电路使用. 制作了荷控忆阻器特性分析等效电路的实验电路, 实验测量结果很好地验证了理论分析结果. 关键词： 荷控忆阻器 等效电路 伏安关系 电路特性     

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.     

基于蒙特卡洛方法的钛氧化物忆阻器辐射损伤研究

纳米钛氧化物忆阻器有望成为新一代阻性存储器基本单元并应用于辐射环境中的航天器控制及数据存储系统. 辐射能量, 强度, 方向, 持续时间等要素发生改变均可能对钛氧化物忆阻器受到的辐射损伤构成影响, 然而, 目前尚无相关具体研究. 基于以蒙特卡洛方法为核心的SRIM仿真, 本文针对宇宙射线主体组成部分——质子及 α射线定量研究了各个辐射要素与钛氧化物忆阻器辐射损伤的关联, 依据器件实测数据研究了辐射要素与导通阻抗, 截止阻抗及氧空缺迁移率等忆阻器主要参数的关系, 进一步利用SPICE仿真讨论了辐射对杂质漂移与隧道势垒共存特性的影响, 从而为评估及降低钛氧化物忆阻器辐射损伤, 提高器件应用于辐射环境的可靠性提供依据.     

基于忆阻器的数模混合随机数发生器

数字方法实现的混沌随机数发生器存在有限字长效应, 无法保证随机数良好的统计特性. 本文构建了一类包含最少模拟器件的新数模混合系统, 分析了混合系统的非线性动力学行为. 利用现场可编程逻辑门阵列和一阶广义忆阻器实现了复杂混沌映射, 克服了有限字长效应, 构造了稳定的高速混沌随机数发生器, 可以产生100 Gbit/s以上速率的随机数. 研究表明, 数模混合系统的混沌性对元件参数变化不敏感. 混合系统易于集成在图像加密、保密通信和雷达波形设计等应用系统中.     

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.     

Au/SrTiO3/Au界面电阻翻转效应的低频噪声分析

本文研究了Au/SrTiO₃/Au三明治结构中的双极电阻翻转效应, 观察到高、低阻态的电阻弛豫现象. 低频噪声测量表明高、低阻态的电阻涨落表现出1/f行为. 对比试验表明, 高阻态的低频噪声来源于反向偏置肖特基势垒和氧空位的迁移, 强度较大, 低阻态的噪声则源于类欧姆接触底电极区域的氧空位迁移导致的载流子涨落, 强度较低. 同时, 界面上氧空位浓度的弛豫导致了高、低阻态的弛豫过程. 关键词： 电阻翻转效应 低频噪声 氧空位     

Resistive switching in Ag–TiO2 contacts

We study the electric pulse induced resistance switching of TiO₂–Ag contacts at room temperature, exploring both unipolar and bipolar switching modes. Initially we observed unipolar response. After hundred pulsing cycles the unipolar switching response vanishes but the device can still be operated in bipolar switching regime. The underlying mechanism for resistance switching is modeled in terms of formation and rupture of filament, and movement of oxygen vacancies.     

BiVO4/TiO2 heterojunction with rich oxygen vacancies for enhanced electrocatalytic nitrogen reduction reaction

The large-scale production of ammonia mainly depends on the Haber–Bosch process, which will lead to the problems of high energy consumption and carbon dioxide emission. Electrochemical nitrogen fixation is considered to be an environmental friendly and sustainable process, but its efficiency largely depends on the activity and stability of the catalyst. Therefore, it is imperative to develop highefficient electrocatalysts in the field of nitrogen reduction reaction (NRR). In this paper, we developed a BiVO₄/TiO₂ nanotube (BiVO₄/TNT) heterojunction composite with rich oxygen vacancies as an electrocatalytic NRR catalyst. The heterojunction interface and oxygen vacancy of BiVO₄/TNT can be the active site of N₂ dynamic activation and proton transition. The synergistic effect of TiO₂ and BiVO₄ shortens the proton transport path and reduces the over potential of chemical reaction. BiVO₄/TNT has high ammonia yield of 8.54 μg·h⁻¹·cm⁻² and high Faraday efficiency of 7.70% in −0.8 V vs. RHE in 0.1 M Na₂SO₄ solution.     

Correlation between diode polarization and resistive switching polarity in Pt/TiO2/Pt memristive device

We have investigated the correlation between diode polarization and switching polarity in electroformed Pt/TiO₂/Pt memristive device. Before forming, the diode direction of the Pt/TiO₂/Pt device is reversible under the current pulses with varying current amplitude. The diode polarization arises from oxygen vacancy migration in fully depleted Pt/TiO₂/Pt films. The measurement results indicated that only the polarized diode can be electroformed and the metallic suboxide filament is created in parallel to the diode with a switching polarity dependent on the polarization of stack prior to forming. The non‐polar state inhibits field concentration at either end of the device at the specified current, preventing the electroforming. On and off state currents are measured at 0.2 V for 5 × 10⁴ s showing good retention, which is promising for non‐volatile memory application. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

P掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti, P替位O, 间隙P)的锐钛矿相TiO₂的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算. 结果表明, P替位Ti时, TiO₂体积减小, P替位O和间隙P的存在使TiO₂的体积膨胀; 替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化, 而替位O的P带有负电荷. 三种P掺杂形式均导致锐钛矿相TiO₂禁带宽度的增大, 并在TiO₂禁带之内引入了掺杂局域能级. P掺杂导致TiO₂禁带宽度增大的程度依次为: 间隙P>P替位Ti>P替位O. 吸收光谱的计算结果表明, P替位Ti并不能增强TiO₂的可见光吸收能力, 但间隙P的存在大幅提高了TiO₂的可见光光吸收能力, 间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相TiO₂光催化活性的重要原因. 关键词： P掺杂 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理     

Application of TiO2 with different structures in solar cells

The application of TiO2-based devices is mainly dependent on their crystalline structure,morphology,size,and exposed facets.Two kinds of TiO2 with different structures,namely TiO2 pompons and TiO2 nanotubes,have been prepared by the hydrothermal method.TiO2 with different structures is characterized by scanning electron microscopy(SEM),X-ray diffraction(XRD),and Brunauer-Emmett-Teller(BET) surface area analysis.Solar cells based on poly(3-hexylthiophene)(P3HT) and TiO2 with different structures are fabricated.In the device ITO/TiO2/P3HT/Au,the P3HT is designed to act as the electron donor,and TiO2 pompons and TiO2 nanotubes act as the electron acceptor.The effects of the TiO2 structure on the performance of hybrid heterojunction solar cells are investigated.The device with TiO2 pompons has an open circuit voltage(Voc) of 0.51 V,a short circuit current(Jsc) of 0.21 mA/cm2,and a fill factor(FF) of 28.3%.Another device with TiO2 nanotubes has a V oc of 0.5 V,J sc of 0.27mA/cm2,and FF of 28.4%.The results indicate that the TiO2 nanotubes with a unidimensional structure have better carrier transport and light absorption properties than TiO 2 pompons.Consequently,the solar cell based on TiO2 nanotubes has a better performance.     

Ce和O空位共掺杂TiO_2的电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论加U的计算方法,研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光吸收性质.计算结果表明,Ce和O空位共掺杂TiO_2的带隙中出现了杂质能级,且带隙窄化为2.67 eV,明显比纯TiO_2和Ce,O空位单掺杂TiO_2的要小,因而可提高TiO_2对可见光的响应能力,使TiO_2的光吸收范围增加.光吸收谱显示,掺杂后TiO_2的光吸收边发生了显著红移;在400.0—677.1 nm的可见光区,共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO_2和Ce单掺杂TiO_2,而略低于O空位单掺杂TiO_2.此外,Ce掺杂TiO_2中引入O空位后,TiO_2的导带边从-0.27 eV变化为-0.32 eV,这表明TiO_2的导带边的还原能力得到了加强.计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO_2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.     

TiO2/SiO2多层膜的带隙结构及光催化性能

利用传输矩阵法设计了由SiO2、TiO2组成的多层膜高透射率光子晶体结构,并分析了其透射谱特性,根据等效层原理改变多层膜一维光子晶体的自身结构来提高通带内特征波长附近的透射率,获得了最佳结构参数。研究结果表明,当晶格参数为150nm,填充比为0.346,周期数为6时,400nm波长附近吸收带处的透射率最低也可达96.5%,并且不论是TM模式还是TE模式,入射角在0°～45°范围内仍保持高的透射率,该结构可望用于空气净化装置以提高SiO2、TiO2光催化剂的光催化效率。