金属离子迁移式忆阻器在突触仿生方面研究进展

忆阻器(memristor)是电路中继电阻、电容和电感之外的第四种基本元器件。区别于阻变存储器 ，忆阻器的电导率可随着施加电压变化而发生连续变化，其最早是在1971年由美国加州大学伯克利分校蔡少堂教授提出[1]。2008年美国惠普实验室的Williams研究组提出一种可以利用单一器件实现忆阻器行为的模型[2]。目前忆阻器研究最多的是直接应用作为阻变存储器，该器件在电场作用下可实现阻值在高阻与低阻两个状态下变化，被认为具有成为下一代新型随机存储器的潜力。除此之外，近年来研究发现，忆阻器的电学特性类似于神经突触的非线性传输特性，因而被应用于突触仿生的研究。目前利用忆阻器进行突触仿生研究的主要有两大类：一类是利用金属氧化物中氧离子迁移改变器件的电导率；另外一种是利用金属的氧化还原反应导致的导电细丝变化来改变器件的电导率。本文简单介绍近年来利用金属迁移实现电导率变化的一些代表性工作。

美国密歇根大学的Lu wei教授研究组2010年报道一种利用Si:Ag/Si双层器件在电压的作用下阻值可发生连续变化[3]。该研究认为在正向电压的作用下Si:Ag层中的Ag可发生氧化还原反应，导致富Ag的导电前端的移动，进而改变器件的电导率。同时，利用该器件成功实现了对单个神经突触部分功能的模拟。相应结果如图1所示。

 图1.左面四幅图为文章中器件结构以及器件运行特性曲线；右面四幅图为器件对突触一些功能的模拟

日本的Masakazu Aono研究组采用硫化Cu沉底构造出Cu/CuS器件[4]，同时利用扫描隧道显微镜探针在CuS薄膜上方形成纳米间隙成功构造出了一种Cu/CuS/nanogap/Pt结构的器件，器件结构如图2左边图所示。由于CuS属于p型半导体，Cu原子进入CuS层会减少CuS中的Cu空位，因此并不会导致该层电导率增加，相反会降低CuS的电导率。但由于CuS属于快离子导体，该器件中CuS层电阻值远远小于“gap”层，因此可将器件中CuS层电阻忽略不计，而认为决定器件阻值因素主要来源于“gap”层。该研究组认为在Cu电极加正向偏压会导致Cu氧化形成Cu离子，并且Cu离子会在电场作用下向CuS中移动，Cu离子移动到CuS表面会与从Pt电极遂穿过来的电子结合，导致还原成Cu原子，并在CuS表面堆积，形成突出的导电前端进而缩短“gap”的有效间距。该研究根据单个原子导通电导率为一个G₀（G₀=2e²/h）的量子电导原理，认为电导率在G₀以上认为导电通道形成，而在G₀以下则认为导电通道没有完全形成仍然存在“gap”。利用脉冲电压(方波)刺激器件，通过改变脉冲电

 图2. (a)神经突触示意图. (b) Cu/CuS/nanogap/Pt结构的器件示意图

压的幅值、频率、宽度成功实现了器件的感知记忆，短时记忆，长时记忆等功能如图3所示。同时该研究还考虑了真空环境与空气环境对器件的影响，认为空气中Cu突出导电丝吸附氧以及空气中的水都对器件有很大影响，同时温度也有明显的影响。

  图3. 图a-d为器件对不同幅值、频率、宽度脉冲电压刺激下的响应，（f）图为短时记遗忘曲线的拟合，通过拟合可以得到不同的时间常数。

目前忆阻器在突触仿生方面的研究还处于起步阶段，目前国内外很多研究组也都在相继开展这方面的研究，在一部分材料制成的忆阻器件中实现了突触的一些基本功能模拟。但是忆阻器件的相关工作机制研究还很不完善，忆阻器还有很大的发展空间。

参考文献：

[1]Chua L.  Memristor-the missing circuit element[J]. IEEE Transactions on Circuit Theory.  1971,18(5): 507-519.

[2]Strukov D B, Snider G S, Stewart D R, et al. The missing memristor found[J]. Nature. 2008,453(7191): 80-83.

[3] Jo S H, Chang T, Ebong I, et al. Nanoscale memristor device as synapse in neuromorphic systems[J]. Nano Lett. 2010,10(4): 1297-1301.

[4] Alpana Nayak,Takeo Ohno, Tohru Tsuruoka, et al. Controlling the Synaptic Plasticity of a Cu₂S Gap-Type Atomic Switch.[J]. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 3606–3613