基于导电机理的钛氧化物忆阻器电路特性建模研究

忆阻器的出现将可能从根本上改变传统电路的格局，但作为应用基础的忆阻器特性及建模研究还不完善。本项目围绕钛氧化物忆阻器进行研究。首先，通过对忆阻器物理实现的导电机理进行研究，分析其电路特性。然后，力图精确描述影响忆阻器电路特性的各关键物理因素及其相互作用，对其进行数学建模，在此基础上提出一种钛氧化物忆阻器数学模型。最后，基于忆阻器数学模型，采用非线性电路理论分析方法，研究构建基于忆阻器的典型的非线性电路，并分析其特性。本项目将在忆阻器建模方面取得新的理论突破，为进一步开展基于忆阻器的非线性电路研究打下基础。

忆阻器因其在结构、尺寸、功耗、读写速度、非易失多值存储等方面的优势，而可能成为IT科学、技术和产业新的物理基础。然而，实际忆阻器件导电机理尚不明晰，作为应用基础的建模技术研究还不够完善，严重制约了忆阻器在新型电路系统中的大规模应用。本项目主要围绕钛氧化物忆阻器导电机理展开研究，深入分析了钛氧化物忆阻器中共存的各导电机理的共存关系，以及器件参数与环境参数对器件导电机理的影响。在此基础上构建能够精确反映器件导电过程的特性模型，并基于模型进行新型应用电路设计。取得的主要研究成果如下：.1) 提出了钛氧化物忆阻器中杂质漂移与隧道势垒共存的导电机理，并基于此提出了一种共存模型，利用该模型对钛氧化物忆阻器导电过程进行了客观描述，并研究了器件参数及工作参数对钛氧化物忆阻器导电特性的影响。2) 研究了钛氧化物忆阻器阻抗状态的控制方法，基于该方法设计了通频带参数可调且非易失的模拟滤波电路，解决了传统模拟滤波器电路中改变通频带参数需改变电路结构的问题。设计了一种基于忆阻器的模拟信号加密解密电路，为忆阻器应用于信息安全领域提供了新的思路。3) 研究了忆阻器导电细丝机理，并基于逾渗网格模型，分析了初始逾渗率和初始渗透分布对逾渗导电网格模型中导电通道形成的影响，揭示了初态对单极性忆阻器件特性的影响规律，这些规律将对导电细丝机理的忆阻器的制备具有指导意义。4) 国际范围内首次测得并证实了钛氧化物忆阻器中忆阻、忆容、忆感特性的共存，使三种记忆特性共存的猜想成为业界共识，促进了忆阻器制备、分析与应用研究的发展。5) 首次观测到并分析了忆阻器第二类交叉形式的I-V曲线，佐证了忆阻器I-V曲线第二类交叉形式存在的理论推测，丰富了对忆阻器I-V特性的认识。6) 首次得到了实际忆阻器件中I-V曲线交叉点随机理频率的变化规律，证明了非零交叉现象并不是忆阻器理论存在的缺陷，而是由实际器件中共存的其他电抗分量所致。7) 研究了钛氧化物忆阻器非易失状态和易失状态转换控制的条件和方法，提出将忆阻器易失特性应用于神经突触模拟的方法，是基于忆阻器的神经形态电路的复杂度和能耗大幅降低。.本项目组在国内外核心刊物和国际会议上发表SCI论文13篇，EI论文4篇，申请发明专利3项，形成了良好的国际影响力。