可用于压力感应的忆阻器多值存储及其机理研究

The high forming voltage and high power consumption are problems of memristor development in industrial. High-density information stored memristor device and developed its new application are expectations of many researchers in this filed. In this proposal, Ag/nc-Al AlxOy /PI structured memristor with nc-Ag embedded in interface of Ag/nc-Al AlxOy is investigated to solve these problems. Ag/nc-Al AlxOy /PI structured RRAM has several advantages include having low forming voltage and multilevel high resistance state. Based on this device, nc-Ags are introduced into Ag/nc-Al AlxOy interface by using spread method to optimize device’s performance. The effect of nc-Ag on memristor electrical characteristics, growth of conductive filament, relationship between CF growth and multilevel high resistance state and its theory are investigated through TEM image, I-V measurement and conduction analysis. A changed pressure to exert on top of device, it will change the distance of nc-Ags and cause electrical filed， conduction mechanisms and growth of CF altered. It will definitely affect the device resistance. The relationship between device resistance and pressure will be studied for new application as “pressure memory” device.

忆阻器运行中的高激发电压、功耗过大等问题严重制约其产业化的发展。领域内研究人员对提高忆阻器存储密度以及新应用的开发也有迫切的期望。本项目拟制备一种含有银纳米颗粒的Ag/nc-Al AlxOy/ITO/PI结构柔性忆阻器来解决以上问题。含有铝纳米颗粒的AlxOy薄膜较之纯氧化铝薄膜阻变存储器具有低激发电压和多值存储等优势。在此基础上，通过在Ag/nc-Al AlxOy界面加入银纳米颗粒更能优化器件性能。利用TEM图像、电学测试和导电机制分析等手段来研究银纳米颗粒对器件阻变特性、导电丝生长形态的影响，以及导电丝生长形态与多值存储特性之间的关联，揭示银纳米颗粒对多值存储特性的作用机理。通过对器件施加压力来改变界面中各银纳米颗粒间距，从而引起阻变材料中内电场、导电机制和导电丝生长形态的改变，继而引起器件阻值的改变。研究器件阻值变化和压力间的关联，实现忆阻器“压力记忆”的新应用。

忆阻器作为新兴的第四种电路器件，其脉冲电学特性与神经突触工作方式极为类似，是神经网络硬件实现和类脑芯片开发的重要仿生器件之一。本项目着重探索了以铝基薄膜为基础的单极性和双极性忆阻器不同的阻变特性、原理及其在存储器、脉冲神经网络和压力传感器中的应用。单极性忆阻器的阻变原理依靠导电丝的连接和断开，可通过设定不同的限制电流实现多阻态运行，读写速度达到10-9s，为制备低功率高运速存储器提供了硬件基础。双极性忆阻器的阻变原理依靠活跃离子在不同电场方向下的迁移，在外界不同幅值和频率的刺激影响下，展示出类似神经突触处理信息的特性；包括短时程突触可塑性和长时程突触可塑性，感知和遗忘特性，经验化学习和习惯化特性等。脉冲神经网络作为第三代神经网络，将频率也作为信息传递的因素之一，具有比卷积神经网络更快的处理速度，也更加贴近人脑处理信息的方式。将单极性和双极性忆阻器串联，可构成最简单的LIF模型进行神经网络功能模拟。测试表明了忆阻器对于突然出现的高频信号具有实时反馈的特征，若将人类脑波看成类似连续的脉冲信号，忆阻器可对脑波活动进行实时跟踪。在压力传感方面，通过模拟电路表明压力感应材料在感受压力后形成的微弱电流，可以改变阻变材料的阻值，达到测试-存储-计算一体的智能传感器要求。