微纳电子学研究院杨玉超研究员-黄如院士课题组在《自然?通讯》发表忆阻器动力学研究成果

忆阻器是近年来备受关注的新型纳米器件，在新一代信息技术（包括低功耗类脑计算、非易失逻辑、数据存储等）领域有着广阔的应用前景。其中，忆阻器的物理性质可用来模拟大脑神经网络中神经突触与神经元的信息处理功能，继而研制新一代类脑计算机；作为逻辑元件，忆阻器还可用来实现存储与计算融合的非易失性逻辑，从而有效降低计算系统的功耗。理解忆阻器的工作机制及其微观动力学特性，对于从原理出发设计并实现低功耗、高能效的逻辑、存储及神经形态器件具有重要意义。然而，研究者对最早发现的忆阻材料体系——氧化物忆阻器的物理机制始终缺乏深刻理解和有力的实验证据，这也成为令人长期困扰的关键难题。

588888纽约国际官方网站微纳电子学研究院、微米/纳米加工技术国家级重点实验室杨玉超研究员-黄如院士课题组，从氧化物忆阻器中离子输运过程的电荷属性出发，基于多功能扫描探针显微镜和球差矫正透射电镜等手段，成功解析了该类忆阻器中的氧离子输运动力学，直接观察到器件中纳米尺度导电通道的形成，获得了清晰的阻变过程物理图像。

本工作与国家纳米科学中心团队合作开展，利用原位导电原子力显微镜和静电力显微镜表征方法探测忆阻器中的离子聚集和可逆运动过程，并系统研究了在不同氧化物电解质、不同电场方向和不同环境条件下的离子输运行为，直接观察到随着器件操作电压的不断升高，在电极/氧化物界面逐步发生的离子聚集、电化学反应发生、氧气逸出、导电通道形成、电阻状态转变等一系列动力学过程。不同电解质体系（氧化铪、氧化钽、氧化铝）中的结果显示出高度自洽，同时与相同条件下利用球差校正透射电镜所获得的导电通道观察结果相互印证，并成功观察到不同电场方向下离子的可逆运动。该研究方法充分结合了离子输运的电荷和质量两种属性，为固体中离子运动研究提供了一种高分辨、普适性的方法，所得实验结果揭示了氧化物忆阻器的工作机理，对进一步实现器件性能调控具有重要指导意义。

相关研究成果以《探测忆阻系统中的纳米尺度氧离子输运》（Probing nanoscale oxygen ion motion in memristive systems）为题，在线发表于2017年5月的《自然·通讯》上（Nature Communications,2017, 8: 15173, DOI:10.1038/ncomms15173）。杨玉超研究员与国家纳米科学中心张小娴副研究员为论文的并列第一作者，黄如院士、杨玉超研究员与国家纳米科学中心裘晓辉研究员为论文的共同通讯作者。

以上研究工作得到国家自然科学基金、北京市科学技术委员会“脑科学”专项、中央高校建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项等资助。