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(jì)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(jiǎn)單、功耗低和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被視為人工突觸的理想實(shí)現(xiàn)方式。尤其是電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM），通過(guò)調(diào)控絕緣層中離子的遷移實(shí)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(chǔ)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。為進(jìn)一步提升憶阻器的均一性與可靠性，研究者提出了通過(guò)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(jì)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(xì)絲形成過(guò)程中的隨機(jī)性問(wèn)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(guò)現(xiàn)有研究仍面臨多重挑戰(zhàn)。首先許多報(bào)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(jī)制難以區(qū)分，限制了對(duì)垂直界面作用的獨(dú)立研究。盡管推測(cè)氧離子更傾向沿界面遷移，但缺乏直接的原位實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(duì)比度不足而難以清晰解析這一過(guò)程。因此，如何設(shè)計(jì)具有更強(qiáng)氧離子遷移能力、且能夠通過(guò)原位手段直觀揭示界面離子動(dòng)力學(xué)的材料與結(jié)構(gòu)，成為有待解決的核心問(wèn)題。這些瓶頸不僅阻礙了對(duì)VAN憶阻機(jī)理的深入理解，也限制了其在高性能存儲(chǔ)與類腦計(jì)算中的實(shí)際應(yīng)用前景。

針對(duì)上述問(wèn)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(tuán)隊(duì)利用了澤攸科技原位TEM測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，他們通過(guò)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(dòng)力學(xué)機(jī)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(jī)理認(rèn)知上的關(guān)鍵難題。研究團(tuán)隊(duì)基于類腦計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)可控的氧離子遷移通道。他們選擇具有拓?fù)湎嘧兲匦缘淖厣}鈦礦 SrCoO?.?（BM-SCO）與 MgO 復(fù)合生長(zhǎng)，形成垂直排列的納米柱狀界面。這樣的設(shè)計(jì)不僅提高了器件的電阻開(kāi)關(guān)性能，也為理解界面主導(dǎo)的離子動(dòng)力學(xué)提供了理想平臺(tái)。通過(guò)這一結(jié)構(gòu)，研究者展示了器件在存儲(chǔ)與類突觸功能上的優(yōu)越表現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)高效的神經(jīng)形態(tài)計(jì)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(zhǎng)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(hào)強(qiáng)度分布。S50M50 VAN薄膜中單個(gè)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(biāo)記。（E）中的插圖是VAN中BM-SCO的FFT圖譜，其中超晶格信號(hào)用黃色圓圈標(biāo)記。（F）BM-SCO:MgO薄膜在垂直界面處的晶體學(xué)模型。

在實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)比、更強(qiáng)的循環(huán)穩(wěn)定性和更好的一致性。這些性能上的優(yōu)勢(shì)使得器件能夠模擬生物突觸中的短期和長(zhǎng)期可塑性，并在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識(shí)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(duì)脈沖易化（PPF）和（E）成對(duì)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(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（LTP）和長(zhǎng)時(shí)程抑制（LTD）。插圖顯示施加的寫(xiě)入脈沖。電流隨寫(xiě)入脈沖的幅度（G）、寬度（H）和間隔（I）的變化。

在機(jī)理研究方面，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注氧離子在電阻切換過(guò)程中的遷移路徑。通過(guò)原位掃描透射電鏡（STEM）實(shí)驗(yàn)，他們直接觀察到在外加電場(chǎng)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(guò)程清晰地反映了氧離子沿界面優(yōu)先遷移的動(dòng)力學(xué)特征，為理解VAN憶阻器的電阻調(diào)控機(jī)制提供了首個(gè)直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這一突破性的發(fā)現(xiàn)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)依賴推測(cè)的局限，使得對(duì)器件機(jī)理的認(rèn)知達(dá)到了原子尺度的精確度。

圖3. 神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。（A）基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的交通標(biāo)志識(shí)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(guò)噪聲、旋轉(zhuǎn)和亮度調(diào)整增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)集。（D）識(shí)別準(zhǔn)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(zhǔn)確率的比較。

在這一研究中，澤攸科技的原位TEM測(cè)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(shí)時(shí)施加電信號(hào)，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(chǎng)的同時(shí)，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(guò)程。這種“電學(xué)刺激與結(jié)構(gòu)觀測(cè)同步進(jìn)行”的方式，使得電阻切換的本質(zhì)過(guò)程得以被直接捕捉和驗(yàn)證。正是依托于澤攸科技原位TEM測(cè)量系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和可控性，研究團(tuán)隊(duì)才得以突破成像與操作的技術(shù)瓶頸，將實(shí)驗(yàn)推進(jìn)到對(duì)憶阻機(jī)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(jī)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)比度的對(duì)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(guò)程中電流與電壓、電流與時(shí)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(duì)比。（H）BM-SCO:MgO憶阻器在0 V（左）和+5 V（右）下的COMSOL電場(chǎng)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(lán)色顯示，青色柱體代表氧化鎂（MgO）。

這篇論文的核心貢獻(xiàn)不僅在于設(shè)計(jì)出高性能的 VAN 結(jié)構(gòu)憶阻器，還在于利用先進(jìn)的原位表征手段直觀揭示了氧離子遷移與相變的過(guò)程。通過(guò)澤攸科技原位TEM測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用，研究者實(shí)現(xiàn)了電學(xué)性能與結(jié)構(gòu)演變的同步解析，為未來(lái)可控性更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高的憶阻器設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。這一工作為類腦計(jì)算器件的進(jìn)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(dú)特價(jià)值。