感谢记忆功能:NIST深入探索忆阻器

       上图显示了一束电子束撞击一段记忆电阻器(“忆阻器”)的情形。忆阻器的阻值是由对流经它的电荷的记忆决定的。当电子束撞击忆阻器的不同部位时,会产生不同的电流量,从而生成整个器件电流变化的完整图像。电流的某种变化意味着有些部分可能出现了缺陷,由细丝(二氧化钛)中的重叠圆圈表示,而记忆便存储于这细丝中。

  研究界正在进行一场能够模拟人脑巨大计算能力的计算机建造竞赛,而现在他们越来越多地把目光转向了忆阻器,因为忆阻器可以根据对过去活动的记忆改变电阻。这类半导体元件的作用类似于神经细胞的短期记忆,但其内部工作原理长期以来都不为人所知,不过美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家们已经揭示了这个秘密。

 

  一个神经细胞向另一个神经细胞发出信号的能力取决于这些细胞在刚过去的时间里沟通的频率,与此类似,忆阻器的电阻也取决于最近流过电流的大小。此外,即使在关闭电源的情况下,忆阻器也能保持这种记忆。

 

  尽管科学家对忆阻器有着浓厚的兴趣,但他们对忆阻器的工作原理一直都缺乏详细的了解,也没有开发出一套对忆阻器进行研究的标准工具集。

 

  现在,NIST的科学家已经找到了这样一个工具集,依靠它来更深入地探索忆阻器的工作原理。他们的研究成果有利于忆阻器更加高效地运转,此外他们还提出了减少电流泄漏的方法。

 

  NIST和加州大学圣芭芭拉分校的Brian Hoskins和NIST科学家Nikolai Zhitenev、Andrei Kolmakov、Jabez McClelland等人,以及来自马里兰大学纳米中心(NanoCenter)和布加勒斯特微技术研究与发展研究所的同事们,已将其研究成果发表在《自然通信》(Nature Communications)上。

 

  为了探索忆阻器的电气功能,研究小组将电子束聚焦对准二氧化钛忆阻器上的不同位置。电子束撞击该器件的一些电子,使它们成为自由电子,从而形成这些位置的超清晰图像。电子束还诱发了在器件内流动的四种不同的电流。研究小组确定,电流与忆阻器中材料之间的多个界面有关,而忆阻器是由两个金属(导电)层加中间一层绝缘体组成的。

 

  “我们能够确切地掌握每一股电流来自何方,因为我们控制着诱发这些电流的电子束的位置,”Hoskins说道。

 

  在对器件成像时,研究小组发现了几个暗斑(电导性增强的区域),这些区域就是正常工作中电流从忆阻器中泄露出去的地方。这些泄漏通路位于忆阻器核心之外。在核心处,忆阻器在高阻态和低阻态之间切换,这一点对电子器件而言非常有用。这一研究结果表明,减小忆阻器的尺寸或许可以减少甚至消除一些多余的电流通路。尽管研究人员是这样猜测的,但由于缺乏实验指导,不确定忆阻器的尺寸需要减少多少。

 

  因为泄漏通路非常微小,只有100到300纳米的距离,“除非让忆阻器的尺寸以这种数量级减少,否则无法看到实质意义上的大幅改善。”

 

  令他们惊讶的是,研究小组还发现,与忆阻器电阻切换相关的电流根本不是来自于活性开关材料,而是来自于其上方的金属层。关于忆阻器研究最重要的教训,Hoskins指出,“你不能只关注电阻开关这个开关点本身,你必须关注它周围的一切。”他还补充说,该团队的研究“有助于更好地启发思想,让人们知道什么方法才是设计忆阻器的好方法。”

 

  NIST的工作是在纳米科学技术中心(CNST)进行的,CNST是一个供业界、学术界和政府研究人员共同使用的公用设施。

 

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