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隨著傳統(tǒng)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)逐漸暴露出處理速度和能效的瓶頸，仿生神經(jīng)形態(tài)計算成為重要的替代路徑。在諸多候選器件中，憶阻器因具備非易失性、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低和可擴展性強等優(yōu)勢，被視為人工突觸的理想實現(xiàn)方式。尤其是電阻式隨機存取存儲器（RRAM），通過調(diào)控絕緣層中離子的遷移實現(xiàn)電阻狀態(tài)的可逆切換，契合了突觸權(quán)重調(diào)節(jié)的特性，因此在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和存儲應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。為進一步提升憶阻器的均一性與可靠性，研究者提出了通過自組裝方式構(gòu)建垂直取向納米復(fù)合（VAN）結(jié)構(gòu)，使兩相界面自然排列形成垂直導(dǎo)通通道。這一設(shè)計不僅能提高集成密度和調(diào)控應(yīng)變，還能緩解傳統(tǒng)導(dǎo)電細絲形成過程中的隨機性問題，因而被寄予厚望用于高性能神經(jīng)形態(tài)器件的構(gòu)建。

不過現(xiàn)有研究仍面臨多重挑戰(zhàn)。首先許多報道的VAN結(jié)構(gòu)，其基體材料的氧空位含量有限，導(dǎo)致器件的電阻切換速度和多態(tài)可調(diào)性受限。其次某些體系（如基于鐵電性的BaTiO?體系）中，電阻切換行為往往是鐵電極化與氧空位遷移的共同結(jié)果，使得不同機制難以區(qū)分，限制了對垂直界面作用的獨立研究。盡管推測氧離子更傾向沿界面遷移，但缺乏直接的原位實驗觀測證據(jù)，現(xiàn)有透射電鏡手段也因氧富集區(qū)與貧化區(qū)的對比度不足而難以清晰解析這一過程。因此，如何設(shè)計具有更強氧離子遷移能力、且能夠通過原位手段直觀揭示界面離子動力學(xué)的材料與結(jié)構(gòu)，成為有待解決的核心問題。這些瓶頸不僅阻礙了對VAN憶阻機理的深入理解，也限制了其在高性能存儲與類腦計算中的實際應(yīng)用前景。

針對上述問題，由南京航空航天大學(xué)、吉林大學(xué)、華東師范大學(xué)、南京大學(xué)、清華大學(xué)以及劍橋大學(xué)等組成的科研團隊利用了澤攸科技原位TEM測量系統(tǒng)進行了系統(tǒng)研究，他們通過構(gòu)建 SrCoO?.?:MgO 垂直納米復(fù)合結(jié)構(gòu)并結(jié)合原位技術(shù)，直接揭示了氧離子沿垂直界面優(yōu)先遷移的動力學(xué)機制，從而闡明了VAN憶阻器電阻切換的本質(zhì)。相關(guān)成果以“In situ observation of oxygen ion dynamics in topological phase change memristors through self-assembled interface design”為題發(fā)表在《Science Advances》期刊上。原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adw8513

這篇論文的研究聚焦于解決憶阻器在可靠性與機理認知上的關(guān)鍵難題。研究團隊基于類腦計算的發(fā)展需求，提出利用自組裝的垂直取向納米復(fù)合（VAN）結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)可控的氧離子遷移通道。他們選擇具有拓撲相變特性的棕色鈣鈦礦 SrCoO?.?（BM-SCO）與 MgO 復(fù)合生長，形成垂直排列的納米柱狀界面。這樣的設(shè)計不僅提高了器件的電阻開關(guān)性能，也為理解界面主導(dǎo)的離子動力學(xué)提供了理想平臺。通過這一結(jié)構(gòu)，研究者展示了器件在存儲與類突觸功能上的優(yōu)越表現(xiàn)，為實現(xiàn)高效的神經(jīng)形態(tài)計算硬件奠定了基礎(chǔ)。

圖1. 薄膜的結(jié)構(gòu)表征。（A）在LSMO緩沖的STO（001）襯底上生長的BM-SCO和S50M50薄膜的XRD θ-2θ圖譜。a.u.，任意單位。（B）沿[010]晶帶軸投影的S50M50 VAN薄膜的橫截面STEM圖像。（C）沿（B）中紅線提取的S50M50界面的EDS信號強度分布。S50M50 VAN薄膜中單個MgO納米柱的橫截面HAADF-STEM（D）和相應(yīng)的ABF-STEM（E）圖像。（D）中氧四面體層內(nèi)的面內(nèi)取向氧空位通道用綠色箭頭標記。（E）中的插圖是VAN中BM-SCO的FFT圖譜，其中超晶格信號用黃色圓圈標記。（F）BM-SCO:MgO薄膜在垂直界面處的晶體學(xué)模型。

在實驗結(jié)果中，BM-SCO:MgO VAN 結(jié)構(gòu)器件表現(xiàn)出比單相 BM-SCO 更優(yōu)的性能，包括免電成型操作、更高的電阻開關(guān)比、更強的循環(huán)穩(wěn)定性和更好的一致性。這些性能上的優(yōu)勢使得器件能夠模擬生物突觸中的短期和長期可塑性，并在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識別中取得接近理想系統(tǒng)的高精度結(jié)果。這不僅凸顯了該結(jié)構(gòu)在存算一體化中的應(yīng)用潛力，也證明了自組裝納米結(jié)構(gòu)在提高器件可靠性和功能可控性方面的有效性。

圖2. 突觸行為模擬。（A）人工突觸的示意圖。（B）S50M50憶阻器在0 V→+1.5 V→0 V正向偏壓和（C）0 V→-1.5 V→0 V反向偏壓下的連續(xù)電壓掃描。（D）S50M50憶阻器的成對脈沖易化（PPF）和（E）成對脈沖抑制（PPD）隨脈沖間隔的變化。插圖顯示相應(yīng)的脈沖波形。（F）S50M50憶阻器的長時程增強（LTP）和長時程抑制（LTD）。插圖顯示施加的寫入脈沖。電流隨寫入脈沖的幅度（G）、寬度（H）和間隔（I）的變化。

在機理研究方面，團隊重點關(guān)注氧離子在電阻切換過程中的遷移路徑。通過原位掃描透射電鏡（STEM）實驗，他們直接觀察到在外加電場作用下，BM-SCO 在垂直界面區(qū)域發(fā)生相變，由絕緣的棕色鈣鈦礦相轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電的鈣鈦礦 SrCoO??δ。這一過程清晰地反映了氧離子沿界面優(yōu)先遷移的動力學(xué)特征，為理解VAN憶阻器的電阻調(diào)控機制提供了首個直接實驗證據(jù)。這一突破性的發(fā)現(xiàn)，解決了長期以來依賴推測的局限，使得對器件機理的認知達到了原子尺度的精確度。

圖3. 神經(jīng)形態(tài)計算。（A）基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的交通標志識別示意圖。（B）基于憶阻器交叉陣列模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路圖。（C）經(jīng)過噪聲、旋轉(zhuǎn)和亮度調(diào)整增強后的數(shù)據(jù)集。（D）識別準確率隨迭代次數(shù)的變化。（E）損失值隨迭代次數(shù)的變化。（F）三種訓(xùn)練方法下準確率的比較。

在這一研究中，澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。該產(chǎn)品配備了精密的電學(xué)偏壓系統(tǒng)和高穩(wěn)定性的鎢探針，可以在透射電鏡環(huán)境下實時施加電信號，并與樣品的頂電極保持良好接觸。憑借這種裝置，研究人員能夠在施加外電場的同時，以原子分辨率觀察到氧離子的遷移和局部結(jié)構(gòu)的相變過程。這種“電學(xué)刺激與結(jié)構(gòu)觀測同步進行”的方式，使得電阻切換的本質(zhì)過程得以被直接捕捉和驗證。正是依托于澤攸科技原位TEM測量系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和可控性，研究團隊才得以突破成像與操作的技術(shù)瓶頸，將實驗推進到對憶阻機理的直接可視化階段。

圖4. 原位掃描透射電子顯微鏡（STEM）及機理分析。（A）和（C）為S50M50憶阻器在高阻態(tài)（HRS）和低阻態(tài)（LRS）下的高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像，（B）和（D）為相應(yīng)的環(huán)形明場掃描透射電子顯微鏡（ABF-STEM）圖像。圖像（A）和（C）中疊加的結(jié)構(gòu)模型展示了對比度的對應(yīng)關(guān)系。（D）中的綠色箭頭指示氧四面體層。（E）施加電壓過程中電流與電壓、電流與時間的關(guān)系。（F）（C）中虛線區(qū)域的快速傅里葉變換（FFT）圖譜。（G）低阻態(tài)下垂直界面區(qū)域和非垂直界面區(qū)域的鈷L邊電子能量損失譜（EELS）對比。（H）BM-SCO:MgO憶阻器在0 V（左）和+5 V（右）下的COMSOL電場模擬。（I）BM-SCO:MgO憶阻器高阻態(tài)和低阻態(tài)的示意圖，其中SCO的八面體層和四面體層分別以玫瑰紅和淺藍色顯示，青色柱體代表氧化鎂（MgO）。

這篇論文的核心貢獻不僅在于設(shè)計出高性能的 VAN 結(jié)構(gòu)憶阻器，還在于利用先進的原位表征手段直觀揭示了氧離子遷移與相變的過程。通過澤攸科技原位TEM測量系統(tǒng)的應(yīng)用，研究者實現(xiàn)了電學(xué)性能與結(jié)構(gòu)演變的同步解析，為未來可控性更強、穩(wěn)定性更高的憶阻器設(shè)計提供了堅實的實驗依據(jù)。這一工作為類腦計算器件的進一步發(fā)展指明了方向，也展示了高端原位表征技術(shù)在材料研究中的獨特價值。