忆阻现象中一些基础物理问题的研究

忆阻器是最有可能实现人脑中突触功能的电子器件，可以通过其阻态的改变来记忆流经它的电荷数量，从而记忆过往的状态。这类似于人类大脑搜集、理解一系列事物的模式。通过发展忆阻技术有望构建人工神经网络进而获得仿生类大脑功能的硬件。但是，忆阻现象中有大量基础科学问题亟待解决，特别是其物理图像至今仍然未知。本项目将在探索忆阻关键材料制备技术以及忆阻器件微加工技术的基础上，研究忆阻现象中几项关键参数；从热力学角度出发研究忆阻现象中若干基础问题；并进一步研究忆阻现象的动力学过程、析出相的演化行为、忆阻弛豫行为以及忆阻过程中界面势垒的演化。希望通过澄清这些基础科学问题，为发展具有我国自主知识产权的忆阻器关键技术奠定理论基础，并且为我国人工神经网络的发展做出贡献。

忆阻器利用了某些阻性存储材料可模拟大脑信号累积和激活等类突触特性，具备信息处理与运算功能，对发展“类脑”人工认知器件具有重要的引领作用。本项目聚焦在忆阻器的结构设计、原理验证与新材料探索，针对以下科学问题开展了研究：1) 忆阻器件的新结构与新效应，如忆阻“算盘”等新概念；2) 忆阻存储的新原理，如理解忆阻材料微结构的演化规律；3) 实现忆阻存储与运算相融合等人工认知器件的方法。我们围绕几类代表性的忆阻材料（包括固体电解质材料如银锗硒，氧化物材料如TiO2，铁电材料如用于铁电隧道结的BaTiO3超薄膜，聚合物材料如聚乙烯醇PVA等），分别开展了针对性的研究。我们根据唯象理论提出了忆阻系统的电荷诱导相变理论，并研究了忆阻系统在不断注入电荷过程中的动力学响应行为。为了验证忆阻相变理论，我们采用原位加电场的TEM电镜技术表征了银锗硒忆阻系统中导电析出相的演化规律，并为此发展了一种用于固体电解质忆阻器原位TEM观测的样品制备技术。我们在银锗硒固体电解质材料中发现了不同于传统电化学理论的导电网络的形成规律，证实了构成导电通道的是正交相Ag2Se，而不是之前普遍认为的由电化学沉积所形成的Ag。在忆阻原理研究的基础上，本项目提出了几种基于忆阻系统的新器件。利用银锗硒忆阻器构建了一类忆阻“算盘”，发展了一种忆阻运算方法，为实现同时胜任信息存储与运算处理功能的器件提供了关键技术。采用PVA材料构建了一类柔性类突触器件，模拟了人手几个特征区域对应的曲率条件下器件的突触可塑性，为在电子皮肤中执行触觉与生理信号的处理等功能创造了可能。利用铁电隧道结忆阻器构建了一类人工认知器件，以处理字符为例，执行了“认知神经科学”中“编码－训练－记忆固化－信息取回”关键环节。这些研究为发展人工认知器件和类脑计算提供了新方案。