忆阻器类脑芯片与人工智能( 五 ) 来源：文章转载自期刊《微纳

图4.反应离子溅射设备
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图5.WTiOx薄膜生长速度与通氧气含量关系
2. 忆阻器
（1）WTiOx忆阻器
基于钨氧化物的忆阻器显示出许多优势，包括逐渐改变电阻状态和记忆和学习功能。然而，较多先前的报告侧重于研究突触学习规则，而不是专注于分析导致外部学习规则的内部机制。在此，讨论堆叠的Au/WTiOx/Au和Ti/WTiOx/Au器件，其中通过外部诱导的氧离子的局部迁移实现电阻开关的功能。结果表明， Au/WTiOx/Au器件的连续可调多级电阻是由于高氧空位浓度下势垒宽度和高度的变化；而Ti/WTiOx/Au器件由于导电丝在低浓度氧空位中的连接和断裂而表现出器件的高和低电阻状态。通过控制离子迁移的物理机制构建和多态的突触发展，可以深入理解基于氧化物的忆阻器在神经形态计算中的应用。图6为测试结果。
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图6.WTiOx突触性能测试
（2）钙钛矿忆阻器
在已有的研究中，基于卤化物-钙钛矿的电学器件的电流-电压（I-V）性能中经常发现不良的滞后现象。点缺陷，如间隙、空位、反位及其迁移被认为是钙钛矿材料电学迟滞的原因。忆阻器是基于缺陷工作的器件，因此，卤化物钙钛矿材料在忆阻器领域具有很广泛的应用前景。近年来，研究者开展了许多令人兴奋的研究，实现了具有优良性能的卤化物-钙钛矿基忆阻器件。然而，这些卤化物钙钛矿忆阻器的器件尺寸通常为数十微米，主要通过借助硬掩膜版制作。在本工作中，使用CMOS兼容的光刻工艺，制作了一个具有2μm顶电极的CsPbBr3基忆阻器，器件的三维结构示意图如图7所示。可以看到忆阻器包含底部电极、CsPbBr3膜和顶部电极的交叉结构。在CsPbBr3薄膜表面引入Parylene薄膜作为保护层，既可用于制作小尺寸顶电极，又可提高器件在空气中的稳定性。
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图7.利用光刻工艺制作CsPbBr3忆阻器的三维结构示意图
图8展示了利用光刻工艺制作的CsPbBr3忆阻器的光学显微照片。可以看到下电极和上电极，表明Parylene和CsPbBr3的透光特性。 CsPbB3薄膜和Parylene 薄膜的厚度分别为300nm和100nm 。制作的CsPbBr3忆阻器的尺寸为 2μm×2μm ，比以前的报告的忆阻器小两个数量级。用本文开发的方法，借助世界先进的半导体材料光刻技术公司ASML生产的半导体光刻系统，可以获得尺寸为10nm×10nm的纳米电阻，有潜力制作用于类脑计算的高密度的忆阻器阵列。
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图8.利用光刻工艺制作CsPbBr3忆阻器表面光学显微图
图9显示了在忆阻器顶部电极（Au/Ti）上施加直流扫描电压（0→-4→0→3→0 V）所测量的I-V特性，测试时，底部电极（Au/Ti）接地。当施加的电压从0V 扫至-4V时，置位过程发生在-3.9V ，其中电阻状态从高电阻状态变为低电阻状态（打开状态）。当外加电压从0V到3V变化时， CsPbBr3层的电阻在2.5V（复位过程）时从接通状态变为断开状态。图9的插图显示对数I-V曲线，可以发现所制作的忆阻器的开/关比约为105 ，远高于先前报道的卤化物忆阻器。在置位过程中，由于从下电极到上电极施加电场，可能形成溴空位导电丝。当向上电极施加正电压时，从上到下形成电场，导电丝断裂。捏滞回线是忆阻器器件的核心特性，可以用来表明忆阻器的核心性能。在进一步研究中，我们可以研究CsPbBr3忆阻器的内在物理机理和特性，还可以研究更多忆阻器的其他特性。相信使用本工作报道的方法制作的忆阻器，可以发现许多有趣的现象，因为器件的尺寸非常小，可以将探索钙钛矿材料的固有特性。
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图9.CsPbBr3忆阻器I-V特性
（3）Parylene忆阻器
基于有机材料的柔性忆阻器在可穿戴电子领域具有良好的前景，引起广泛关注。然而，由于有机忆阻材料的稳定性差，以前报道的柔性忆阻器的稳定性并不理想。为了解决这个问题，采用聚对二甲苯作为高稳定的有机忆阻材料。作为商业有机物质，聚对二甲苯具有生物相容性和多功能性的良好优势。开展有机忆阻材料的研究，首次使用Ag/Parylene/Au忆阻器单元测出了回滞曲线，并判断其由于Ag导电丝的连接和断裂导致的阻变，该器件具有出色的忆阻性能，如图10所示。这种基于有机材料的忆阻器件对于柔性可穿戴存储器件的开发具有重要意义。此外，基于聚对二甲苯的忆阻器具有成本效益，并且可以在任何基板上操作，例如传统的CMOS芯片和柔性基板。这项工作不仅展示了一种新颖灵活的忆阻器，而且为可穿戴人工智能系统开辟了道路。