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.     

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.     

蛋白质基忆阻器研究进展

忆阻器作为一种可实现高密度、多功能、低功耗、多级数据存储的新型电子元器件,为电路结构设计、信息存储理论及突触仿生模拟等领域带来了重大变革.在广泛的忆阻器种类中,蛋白质基忆阻器由于具有结构可控降解、原料丰富低廉、生物兼容等优势,在可植入计算、人机交互、人机结合等前沿信息技术领域有着其他材料基忆阻器无可比拟的天然优势,因此被视为是构建下一代高科技信息电子产品最具潜力的候选者.本文归纳了近期蛋白质基忆阻器的研究进展,首先总结了部分蛋白质的研究进展,包含被广泛研究的鸡蛋白蛋白及性能优越的人工重组蛋白等,然后进一步介绍了蚕丝蛋白基忆阻器的研究历程,详细介绍了功能化策略所带给蚕丝蛋白基介观忆阻器的性能提升,并分析了功能化蚕丝蛋白结构与性能之间的构效关系.最后对蛋白质基忆阻器性能进行了综合分析,并展望了该生物电子器件的未来发展契机.     

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.     

一种二次型忆阻器四阶混沌电路

由HP实验室研制的无源忆阻器得到的荷控二次型忆阻器模型,与有源磁控分段线性和三次光滑忆阻器模型相比,更符合实际.利用此模型并基于蔡氏混沌电路演化而来的拓扑对偶结构设计了一种新型忆阻器四阶混沌电路.理论分析、仿真及电路实现表明,该电路具有依赖于忆阻器初始状态的复杂动力学行为,也会产生随时间和系统参数变化的状态转移等非线性动力学现象,在相轨图中出现"涡眼"和"环眼".     

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、忆容器和忆感器的Simulink建模及其特性分析

忆阻器、忆容器和忆感器均是具有记忆特性的新型非线性电路元件,也被称为记忆元件.以三种电路元件的通用数学模型为依据,从数学分析的角度,对忆阻器、忆容器和忆感器的Simulink模型进行了建立.在Simulink模型中体现了记忆元件对历史状态和系统状态变量的依赖性,正确表现出其独特的记忆特性.通过一系列仿真分析,得到了忆阻器、忆容器和忆感器的元件特性,验证了模型的有效性.此外,通过对三者在不同参数、不同激励下的电路特性分析,得到了三种记忆元件等效模型随频率和幅值变化的规律,为以后忆阻器、忆容器和忆感器基于Simulink的仿真研究和应用研究奠定基础.     

基于Knowm忆阻器的新型忆感器模型的设计与分析

以往有关忆阻器模型及其应用研究主要集中于忆阻器基本概念构建并分析忆阻器模型及其等效电路模型,而基于市场上商用忆阻器件的研究则很少.本文根据忆感器与忆阻器之间的理论关系,基于全球首款商用忆阻器芯片:Knowm忆阻器,结合第二代电流传输器和跨导运算放大器,构建了一种新型忆感器模型.通过调节输入信号的频率和幅值以及运算跨导放大器的跨导增益,可有效地在电路中实现忆感器忆感值的连续调节.设计了新型忆感器的LTspice电路模型和硬件实验电路,以电路仿真结果和硬件电路实验结果验证了新型忆感器模型的有效性和设计方法的正确性.     

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。     

具有感觉记忆的忆阻器模型

人类记忆的形成包括感觉记忆、短期记忆、长期记忆三个阶段,类似的记忆形成过程在不同材料忆阻器的实验研究中有过多次报道.这类忆阻器的记忆形成过程存在有、无感觉记忆的两种情况,已报道的这类忆阻器的数学模型仅能够描述无感觉记忆的忆阻器.本文在已有模型的基础上,根据有感觉记忆的忆阻器的研究文献中所报道的实验现象,设计了具有感觉记忆的忆阻器模型.对所设计模型的仿真分析验证了该模型对于存在感觉记忆的这类忆阻器特性的描述能力:对忆阻器施加连续脉冲激励,在初始若干脉冲作用时忆阻器无明显的记忆形成,此时忆阻器处于感觉记忆阶段,后续的脉冲作用下忆阻器将逐渐形成短期、长期记忆,并且所施加脉冲的幅值越大、宽度越大、间隔越小,则感觉记忆阶段所经历的脉冲数量越少.模型状态变量的物理意义可用连通两电极的导电通道在外加电压作用下的形成与消失来给出解释.     

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     

改进型细胞神经网络实现的忆阻器混沌电路

在通用细胞神经网络单元的基础上,本文利用忆阻器本身的非线性实现了一种改进型细胞神经网络单元.通过连接4个改进的细胞神经网络单元导出了一种基于状态控制细胞神经网络的忆阻器混沌电路.为了验证该方法的正确性,采用通用的电子器件构建了一个忆阻器的模拟等效电路,并对提出的电路进行了实验分析.实验结果与数值仿真结果的一致性表明采用改进型的细胞神经网络可以有效地实现忆阻器混沌电路.     

一个分数阶忆阻器模型及其简单串联电路的特性

忆阻器是具有时间记忆特性的非线性电阻. 经典HP TiO₂忆阻器模型的忆阻值为此前通过忆阻器电流的时间积分, 即记忆没有损失. 而最近研究证实HP TiO₂ 线性忆阻器掺杂层厚度不能等于零或者器件整体厚度, 导致器件的记忆有损失. 基于此发现, 本文首先提出了一个阶数介于0 与1间的分数阶HP TiO₂ 线性忆阻器模型, 研究了当受到周期外激励时, 分数阶导数的阶数对其忆阻值动态范围和输出电压动态幅值的影响规律, 推导出了磁滞旁瓣面积的计算公式. 结果表明, 分数阶导数阶数对磁滞回线的形状及所围成区域面积有重要影响. 特别地, 在外激频率大于1时, 分数阶忆阻器的记忆强度达到最大. 然后讨论了此分数阶忆阻器与电容或电感串联组成的单口网络的伏安特性. 结果表明, 在周期激励驱动时, 随着分数阶导数阶数的变化, 此分数阶忆阻器与电容的串联电路呈现出纯电容电路与忆阻电路的转换, 而它与电感的串联电路则呈现出纯电感电路与忆阻电路的转换.     

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     

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.     

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.     

横截面积参数对钛氧化物忆阻器导电特性的影响

纳米钛氧化物忆阻器的导电过程因自身参数的改变及不同机理的共存而呈现复杂特性,但现有研究缺乏针对横截面积参数的改变对忆阻器导电特性影响的讨论.基于杂质漂移及隧道势垒机理,本文分析了忆阻器导电过程,研究了横截面积参数与导电过程中各关键物理要素间的关联,并基于此,分别研究了钛氧化物横截面积及隧道势垒横截面积的改变对忆阻器导电特性的影响,分析了两者的区别与联系.验证了两种机理共存情况下,相对于钛氧化物横截面积的改变,隧道势垒横截面积的改变是引发忆阻器导电特性变化的主要因素,且是导致忆阻器非理想导电特性的可能因素.研究成果有助于进一步解释忆阻器导电过程的复杂性,并为优化忆阻器模型的构建提供依据.     

基于忆阻器阵列的下一代储池计算

储池计算是类脑计算范式的一种,具有结构简单、训练参数少等特点,在时序信号处理、混沌动力学系统预测等方面有着巨大的应用潜力.本文提出了一种基于存内计算范式的储池计算硬件实现方法,利用忆阻器阵列完成非线性向量自回归过程中的矩阵向量乘法操作,有望进一步提升储池计算的能效.通过忆阻器阵列仿真实验,在Lorenz63时间序列预测任务中验证了该方法的可行性,以及该方法在噪声条件下预测结果的鲁棒性,并探究忆阻器阵列阻值精度对预测结果的影响.这一结果为储池计算的硬件实现提供了一种新的途径.     

一种最简的并行忆阻器混沌系统

在提出的一种压控忆阻器的基础上, 构造了最简的并联忆阻器混沌系统, 分析其动力学特性, 得到了该系统的Lyapunov指数和Lyapunov维数, 给出了时域波形、相图、Lyapunov指数谱、分岔图、Poincaré映射等. 利用EWB软件设计了该新混沌系统的振荡电路并进行了仿真实验. 研究结果表明, 忆阻器的i-v特性在参数的变化时, 并不保持斜“8”字形, 会变为带尾巴的扇形. 该混沌系统与磁控忆阻器混沌系统不同, 系统只有一个平衡点, 初始条件在系统能振荡的情况下不影响系统状态. 电路实验仿真结果和数值仿真具有很好的一致性, 证实了该系统的存在性和物理上可实现性. 关键词： 忆阻器 混沌电路 并联 动力学行为     

忆阻混沌振荡器的动力学分析

忆阻器(memristor)是一种有记忆功能的非线性电阻器,它是除电阻器、电容器和电感器之外的第四种基本电路元件.采用一个具有光滑磁控特性曲线的忆阻器和一个负电导替换蔡氏振荡器中的蔡氏二极管,导出了一个基于忆阻器的振荡器电路.采用常规的动力学分析手段研究了电路参数和初始条件变化时该光滑忆阻振荡器的动力学特性.研究结果表明,光滑忆阻振荡器与一般的混沌系统完全不同,它的动力学行为除了与电路参数有关外,还极端依赖于电路的初始条件,存在瞬态混沌和状态转移等奇异的非线性物理现象.