【摘 要】
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由于传统的冯·诺依曼计算机中的计算和存储是分离的,因此数据的访问和处理需要更多的能量和时间。忆阻器（Memristor）作为一种新型的存储器件,能够解决上述冯·诺依曼的瓶颈问题,它能够模拟人脑兼具存储和计算的功能,其应用前景不可估量。然而,传统的忆阻器存在着开关电压分布离散,不稳定和与CMOS不兼容等问题。经研究发现铁电忆阻器和基于量子点材料的忆阻器可有效改善上述问题。一方面,在外加电场的调控下,
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由于传统的冯·诺依曼计算机中的计算和存储是分离的,因此数据的访问和处理需要更多的能量和时间。忆阻器（Memristor）作为一种新型的存储器件,能够解决上述冯·诺依曼的瓶颈问题,它能够模拟人脑兼具存储和计算的功能,其应用前景不可估量。然而,传统的忆阻器存在着开关电压分布离散,不稳定和与CMOS不兼容等问题。经研究发现铁电忆阻器和基于量子点材料的忆阻器可有效改善上述问题。一方面,在外加电场的调控下,铁电忆阻器的铁电材料发生铁电极化,导致器件的电阻值实现连续变化,它具有性能稳定和可塑性灵活等优点;另一方面,量子限制和边缘效应导致的独特的电学特性使量子点（Quantum Dots,QDs）被广泛应用于电子器件等领域,并显示出很好的阻变开关特性。本文中,以Bi0.9La0.1Fe O3和Y:Hf O2两种氧化物铁电材料和WSe2量子点材料为例,制备了基于三种薄膜的忆阻器,主要内容如下:1、制备了基于Pd/Bi0.9La0.1Fe O3（BLFO）/La0.67Sr0.33Mn O3/Sr Ti O3/Si结构的铁电薄膜忆阻器,该器件能与CMOS相兼容。使用微观表征方法对BLFO薄膜结晶状况和铁电性能进行表征,结果显示器件具有良好的微观结构和铁电极化特性。给器件施加一定的扫描电压,该器件表现出正向关闭负向打开的特性。此外,器件的电流还受到不同脉冲刺激模式的影响。器件还成功地模拟了兴奋性突触后电流（Excitatory Postsynaptic Current,EPSC）、尖峰时间依赖可塑性（Spike-Timing Dependent Plasticity,STDP）和双脉冲易化（Paired-Pulse Facilitation,PPF）等生物突触功能。以上结果证明了基于BLFO薄膜的器件具有应用于非易失性存储器的潜力。2、制备了基于Pd/Y:Hf O2（HYO）/La0.67Sr0.33Mn O3/Sr Ti O3/Si结构的铁电忆阻器。经过测试发现该器件具有良好的铁电极化特性和明显的电阻状态切换行为,器件的Set电压和Reset电压分布集中,器件的低阻和高阻分别分布在10~5和10~6左右,存储数据能力可达3×10~4s,器件具有稳定的保持特性。基于HYO薄膜的忆阻器能够在不同参数（幅值、脉宽和间隔）的脉冲下实现连续调控,最后模拟了EPSC、STDP和PPF等突触行为。以上结果为铪基铁电材料在忆阻器中的应用提供了新的发展方向。3、采用WSe2 QDs溶液制备了基于WSe2 QDs薄膜的忆阻器,并对该器件的I-V特性、保持特性和开关电压进行测试。测试结果表明,器件具有良好的稳定性和非易失性。该器件的高低电阻比ROFF/RON为3×10~3,存储数据能力可达10~4s。最关键的是,器件的Set功率和Reset功率分别低至0.16 n W和6 n W,远低于其它类型的忆阻器,证明了器件的低功耗特性。此外,还研究了器件的EPSC、STDP和PPF等突触行为。与此同时,密度泛函理论计算表明,Se空位和W空位形成的缺陷态处于深能级,可以防止电荷泄漏,进一步解释了器件的低功耗特性。本研究为忆阻器的发展开辟了一条新的途径,对未来低功耗的神经形态计算具有重要意义。
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