金属/导电氧化物点接触忆阻器的阻变行为调控

A memristor is generally composed of a metal/dielectric/metal sandwich structure. This simple structure enables it to be easily integrated with ultra-high density. The digital and analog characteristics of memristor can be respectively applied to non-volatile memories and simulation of synapses. In the metal/conductive oxide based point-contact memristor with a simpler device structure, resistive switching can be achieved since conductive oxide is both an electrode and an oxygen reservoir. Without the deposition of dielectric layer, it is simpler than the sandwich structure. This project will focus on tubale resistive switching behaviors in point contact memristors based on metal/conductive oxides as below: (1) Exploring the resistive switching behaviors by changing the types, conductivities, thickess, and size of metals and conductive oxides; (2) Investigating the effect of interface thinkess, and oxygen distribution on the resistive switching behaviors after an inintial process induced by annealing or electric field, to calrify the dominant mechanisms of electric filed, chemical and thermal effect; (3) Elucidating the tunability or coexistence mechanism of digital and analog resistive swtichinig under different measuring condition to achieve good properties of memories and simulation of synapses. This work can deepen the understading of resitive swtiching behavior and mechnism of metal/conductive oxide point contact memristor, and thus pave a new way to multifunctional memristor. Moreover, it provides the possible solution to achieve a higher stacking density of three dimensonal memristor.

忆阻器单元通常都是金属/介质/金属的三明治结构，其结构简单易于高度集成。该器件具有数字和模拟特性，分别可应用于非易失性存储和模拟生物神经突触。在金属/导电氧化物点接触忆阻器中，因导电氧化物既是电极又是蓄氧池，所以无须沉积介质层便可实现阻变，其结构相比于三明治结构更为简单。本课题拟展开此类新型忆阻器的阻变行为调控研究：（1）改变金属电极与导电氧化物的材料类型、电导率、厚度及尺寸等，获得这些基本参数与阻变行为的关系；（2）通过退火处理与电场初始化两种手段获得不同的界面状态，研究界面层厚度、氧的分布状态对阻变行为的影响规律，阐明电场效应、化学效应与热效应的主导机制；（3）在不同测试条件下获得数字与模拟阻变，解释两者共存与调控机理并优化其存储与模拟突触性能。通过本研究，可阐明金属/导电氧化物点接触忆阻器界面调控手段与阻变机制，从而为多功能忆阻器提供新思路，还为三维忆阻器的更高堆叠密度提供可能方案。

本项目提出一种无需介质层的金属/导电氧化物点接触忆阻器，相比传统的金属/介质/金属三明治结构更为简单，研究了材料类型、工作条件对其阻变性能的影响和阻变机制，同时研究了忆阻器件的数字与模拟特性及其在非易失性存储和模拟生物神经突触中的应用，主要结论如下：（1）通过不同电极材料组合，发现两电极层必须有一层为活性是点接触结构实现阻变的必要条件：即其化学计量比和电阻值可在外场作用下或经热处理发生变化；（2）ITO/ITO双层结构忆阻器的阻变性质与所镀ITO薄膜的微观结构有关，其中电子束蒸发制备并退火的器件呈现了非常小的set电压（14 mV），这个值也是目前报道的氧空位主导的阻变器件最小的，这可以由初始化过程引起的局部氧浓度梯度解释, 考虑到在双层ITO器件中仅用了一种商用化的透明电极材料，因此这对开发具有低功耗的透明忆阻器有实际意义；（3）研究了忆阻器件的数字与模拟特性的实现方法，并通过改变电刺激信号实现短期和长期记忆，并应用于图像记忆；（4）利用光、光电协同作用控制器件的短期可塑性，并模拟了器件在视觉适应方面的应用。通过本研究，阐明了金属/导电氧化物点接触忆阻器界面调控手段与阻变机制，同时也为信息存储、能量存储、光信息处理等多功能忆阻器提供新思路。