界面效应调制忆阻器研究进展.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61．No．21(2012)217306界面效应调制忆阻器研究进展串贾林楠黄安平t郑晓虎肖志松王玫(北京航空航天大学物理系，北京100191)(2012年4月12日收到；2012年5月22日收到修改稿)忆阻器因其优异的非易失存储特性，且具有结构简单、存储速度快、能耗低、集成度高等优势，在新型电子器件研究领域引起了广泛关注．本文从忆阻器结构出发，对忆阻器主要材料、机理等进行了综述，介绍了忆阻器在电子电路及人工智能等领域的研究进展，重点讨论了界面效应对忆阻行为及性能改善等方面的重

2、要作用，提出了界面纳米点嵌入结构对优化忆阻性能的显著效果，并分析了忆阻器可能的发展趋势．关键词：忆阻器，忆阻机理，界面效应，非易失存储PACS：73．40．Rw式(1)定义由电荷量控制的忆阻器[1】．(g(t))=d~／dt=v(t)／i(t)，(1)1引言其中M代表忆阻值，是忆阻器的特征参数．满足忆阻器(memristor)是蔡少棠在研究了电荷、上述公式的忆阻器件只是一种理想状态，实际器件电流、电压和磁通量之间的关系后，于1971年的忆阻行为更为复杂．为了进一步全面理解忆阻器首先提出的【lJ，并从理论上指出忆阻器是

3、继电的特征，更普适的忆阻器概念一忆阻器系统被提阻、电容、电感后第四种被动电路元件，它代表出[3】'即输入输出特征满足李萨茹曲线的器件都可着电荷与磁通量之间的关系．直到2008年，惠普公以在理论上归入忆阻系统实现忆阻效应．值得注意司Williams研究组证实了忆阻器的真实存在[2]_相的是，忆阻器的李萨茹曲线具有特殊的频率响应特比于普通电阻器，忆阻器的最大区别在于独特的电征，即曲线的非线性特性随激励频率的增加而逐渐阻记忆特性．众所周知，传统意义的电阻器其阻值趋于线性，并最终退化为电阻系统，如图1(a)所示．由材料本身性

4、质决定，在特定外界条件下通常为定因此，特定的激励频率是实现忆阻效应的关键，且值：而忆阻器的电阻值主要由外加电压大小、极性忆阻器特殊的磁滞效应也主要与上述特性有关．此以及时长决定，即与流经它的电荷量有关，并且在外，根据上述原理还可实现其他记忆器件，如忆容撤去外电场后忆阻器仍能保持其电阻值．这种非线器(输入输出量分别为电荷和电压)以及忆感器(输性记忆特性主要源于忆阻器特殊的导电机理一入输出量分别为电流和电感)，它们都具有与众不同带电空位或离子导电，而非电子导电．可以用数学的记忆特性．国家自然科学基金(批准号：511720

5、09，51172013，11074020)、教育部新世纪优秀人才计划(批准号：NCET-08—0029)和高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室开放课题基金(批准号：KL201209SIC)资助的课题．十E—mail：aphuang@buaa．edu．cn⑥2012中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．iphy．ac．c竹物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．21(2012)217306MrI’M(b)图1忆阻器输入输出特征曲线及结构示意图(a)忆阻器输入输出特

6、征曲线随激励频率变化示意图(1>2>w3)【(b)MIM忆阻器结构示意图目前，实现忆阻效应的器件主要为电阻开2．1．1忆阻器的线性开关特性关“金属，绝缘体／金属”结构(metal／insulator／metal，作为未来非易失性存储器件RRAM的主要简记为MIM结构)，如图1(b)所示，其中M为电元件，忆阻器首先具有优异的非易失特性，其记忆极，I代表相应的忆阻材料．这与电容器结构类时间(retentiontime)至少在十年以上，优于目前应似，主要区别在于忆阻器结构两端的上下电极通用的其他非易失性器件(如闪存等)IS

7、]．其次，忆阻常特性不同，是一种不对称的二端结构器件．相比器具有优异的抗疲劳(endurance)特性，已经证实可传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，忆达100以上[9]’与目前动态随机存储器相当[10]，未阻器结构在集成度及尺寸缩小方面具有明显优来可以提高至1016以上[8】．再次，忆阻器还具有极势．此外，忆阻器还具有能耗低、存储速度快等快的开关速度，开关时间在10as以下[9]’这对于未优点，因此在存储设备领域引起了广泛关注．惠来计算机领域高速缓存的发展具有重要的推动作普公司已经宣布将于2013年推出基于

8、忆阻器的用．与CMOS器件相比，忆阻器另一个重要优势是非易失性存储器件RRAM(阻抗存储器)．在数其能耗低，单位能耗值在1pJ／bit以下【8l，而CMOS字逻辑电路、模拟计算以及人工智能等领域，忆器件目前的能耗总体在10pJ／bit以上[11]．此外，忆阻器、忆容器及忆感器也己成为研究的热点之阻器易于实现多态存储以及与CMOS器件兼容等一．通