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第一作者：Hao Yang, Buyun Chen

通訊作者：Wei Wu

第一單位：University of Southern California

研究亮點：

1. 提出并驗證了一種基于控制開關層材料（Switching layer material）結晶度實現對憶阻器（Memristor）性能調控的方法。

2. 利用分子動力學（Molecular dynamics）模擬，研究了該調控方法的工作機理。

調控憶阻器性能面臨挑戰

近些年來，有關憶阻器（Memristor）的研究發展迅速。憶阻器可以應用在很多領域，包括神經網絡計算，場域可編程邏輯閘陣列（Field Programmable Gate Array）等等。不同的應用場景對憶阻器的性能（如操作電壓，開關比，和電導態數目等等）有不同的要求。調控憶阻器性能的傳統方法是選擇不同的材料組合以及對應的材料層厚度，然而，這種方法不能滿足所有的需求。因此，如何精確調控憶阻器的性能以滿足不同應用需求仍是一個難題。

成果簡介

值得注意的是，憶阻器的工作與否取決于開關層內的導通通道（Conduction channel）。受此啟發，南加州大學吳蔚課題組提出并驗證了一種基于控制開關層材料結晶度實現對憶阻器性能調控的新方法。

要點1：憶阻器制備

該研究中的憶阻器為四層結構（Pt/Al₂O₃/Ta/Pt），相應的加工流程，結構示意圖和光學顯微鏡圖像如下圖1所示。其中，Al₂O₃層作為開關層，利用原子層沉積（Atomic Layer Deposition）制備。

 圖1. Pt/Al₂O₃/Ta/Pt憶阻器的加工過程，結構示意圖和光學顯微鏡圖像。

通過控制原子層沉積時的溫度，Al₂O₃層的溫度可以被精確控制。在溫度較低時，Al₂O₃呈現為無定形態。在溫度較高時，呈現為多晶態。如下圖2中的XRD譜圖，TEM圖像和對應的FFT圖像所示。

圖2. 通過改變ALD溫度實現控制Al₂O₃的結晶度。

要點2：憶阻器電學表征

我們研究了四種不同的Pt/Al₂O₃/Ta/Pt憶阻器，分別使用了80 °C，120 °C，160 °C，200 °C沉積的Al₂O₃，并進行了相應的電學表征測試，如下圖3，4a和4b所示。通過對比，我們可以看出，Pt/Al₂O₃/Ta/Pt憶阻器的性能受到開關層結晶度的直接影響，包括操作電壓，開關比，脈沖響應，電導態數目等等。

圖3. Pt/Al₂O₃/Ta/Pt憶阻器的電學表征。

以電導態數目為例，80 °C沉積的Al₂O₃制作的Pt/Al₂O₃/Ta/Pt憶阻器可以提供31種不同的電導態，接近2⁵種。而200°C沉積的Al₂O₃制作的Pt/Al₂O₃/Ta/Pt憶阻器可以提供314種不同的電導態，超過2⁸種，提高了3個數量級。這驗證了通過控制開關層材料的結晶度來調控憶阻器性能的可行性。通過實驗結果可以看出，當憶阻器用于開關時，開關層材料應處于無定形態和多晶態的臨界點以提供最好的性能。而當憶阻器用于神經網絡計算時，開關層材料應處于多晶態以提供最好的性能。

 圖4. 通過控制開關層（Al₂O₃）結晶度實現調控Pt/Al₂O₃/Ta/Pt憶阻器的性能。

要點3：探究調控憶阻器性能的原理

基于分子動力學（Molecular dynamics）模擬，我們定性研究了開關層結晶度可以調控憶阻器性能的原理，如下圖5所示?？梢钥闯?，不同結晶度的Al₂O₃具有完全不同的低密度區域（low-density clusters）和晶粒邊界（grain boundaries）分布。因為憶阻器的工作基于開關層內的導通通道，且導通通道容易在開關層內的低密度區域或晶粒邊界處形成。因此，開關層材料的結晶度直接影響了憶阻器的性能。以電導態數目為例，隨著沉積溫度的提高，Al₂O₃的結晶度隨之提高，對應的可生成導通通道區域的橫截面積不斷增大。更大的橫截面積意味著導通通道可以有更多的半徑選擇（取決于Compliance current），即有著更多的電導態數目，與實驗結果完全吻合。

 圖5. 基于分子動力學模擬研究開關層結晶度對憶阻器性能的影響。

小結

這項研究提出并驗證了一種基于控制開關層材料結晶度實現對憶阻器性能調控的方法，并利用分子動力學模擬研究了該調控方法的工作機理。這一研究加深了我們對于憶阻器工作原理的理解，同時為精確調控憶阻器性能以實現更加廣泛的應用再添助力。

參考文獻

Hao Yang, Buyun Chen, Wei Wu et al. Memristive Device Characteristics Engineering by Controlling the Crystallinity of Switching Layer Materials. ACS Applied Electronic Materials 2020.

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsaelm.0c00148