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在2008年5月的《自然》雜志上.憶阻的發(fā)現(xiàn)足以媲美100年前發(fā)明的三極管,其任何一項產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都可能帶來新一輪的產(chǎn)業(yè)革命.中國科技部2010年4月13日在其官方網(wǎng)站上指出:“美國惠普實驗室科學(xué)家2010年4月8日在《自然》雜志上撰文表示,他們在憶阻設(shè)計上取得重大突破,發(fā)現(xiàn)憶阻可進行布爾邏輯運算,用于數(shù)據(jù)處理和存儲[4 5]”.

目前,憶阻的國內(nèi)外研究主要集中在兩個方面:1)按照惠普實驗室研究的思路,研究如何以最經(jīng)濟實惠的材料制作出具有憶阻特性的器件;2)按照蔡少棠教授的思路,研究由憶阻構(gòu)建的系統(tǒng)的動力學(xué)行為及其應(yīng)用.

1憶阻的分類及其制造

普通電阻兩端的電壓和流經(jīng)的電流呈現(xiàn)的是線性關(guān)系,而憶阻兩端在外界正弦電壓的作用下,電壓和流經(jīng)的電流的關(guān)系是非線性的,并且這種非線性關(guān)系曲線表現(xiàn)為對頻率響應(yīng)的李薩如圖形[2].近些年的研究發(fā)現(xiàn)很多納米材料能夠?qū)崿F(xiàn)憶阻的非線性特性,下面首先介紹憶阻和憶阻系統(tǒng)的概念,并闡述憶阻的特性;而后將根據(jù)材料的不同來分類介紹幾種典型的憶阻系統(tǒng)[6],分析其物理機制和導(dǎo)電機理,并總結(jié)每種憶阻系統(tǒng)的特性和優(yōu)缺點;最后介紹目前較為常見的兩種憶阻元件的制造技術(shù).

1.1憶阻和憶阻系統(tǒng)

1971年,蔡少棠教授給出憶阻的定義為一種表現(xiàn)電荷和磁通量關(guān)系的非線性無源兩端電氣元件[1].1976年,蔡少棠將憶阻的概念一般化,提出了新的概念—憶阻系統(tǒng)(Memristivesystems).憶阻系統(tǒng)指的是,存在一類物理設(shè)備和系統(tǒng),其特性類似憶阻,但是并不能真實地由憶阻來建模,原因是因為憶阻只是眾多此類動態(tài)系統(tǒng)中的一個特例,因此將這類設(shè)備和系統(tǒng)稱之為憶阻系統(tǒng)[7].并指出,憶阻系統(tǒng)最大的特點是過零屬性(Zero-crossing),即任何時候當(dāng)系統(tǒng)輸入為零,則系統(tǒng)輸出也為零,即輸入輸出的李薩如圖形一定過坐標軸零點.更進一步指出,很多設(shè)備和系統(tǒng)具有耗散(Dissipative)特征的都可以建模為憶阻系統(tǒng)[7].

1.2憶阻系統(tǒng)的分類及其導(dǎo)電機理1.2.1薄膜憶阻系統(tǒng)

薄膜憶阻系統(tǒng)(Thin- lmmemristivesys-tems),是一種兩端結(jié)構(gòu)模型[2].物理結(jié)構(gòu)為金屬電極/中間層(阻變層)/金屬電極,以自由離子作為電荷載體,自由離子由于外界正反電壓的作用在阻變層形成導(dǎo)電通道,進而來回移動使憶阻本身出現(xiàn)“開”或“關(guān)”的狀態(tài).其中阻變層材料有二元、多元

金屬氧化物材料、有機材料、固態(tài)電解液材料等[8].

1)惠普二氧化鈦憶阻

惠普的TiO2憶阻是一種薄膜憶阻模型[2],其兩端使用金屬鉑(Pt)作為電極,中間使用TiO2 x–TiO2結(jié)構(gòu)作為阻變層.其中,TiO2 x為摻雜區(qū),TiO2為非摻雜區(qū),TiO2 x比TiO2少了幾個氧離子,進而產(chǎn)生了帶+2價正電荷的氧空洞.該結(jié)構(gòu)憶阻的導(dǎo)電是由摻雜區(qū)氧空洞的移動造成的,由于TiO2具有半導(dǎo)體性質(zhì),并且對缺氧非常敏感,故摻雜部分在外加正向電壓的作用下,會有很高的電導(dǎo)率,并且在正向電場的作用下,摻雜區(qū)右邊界會向非摻雜區(qū)移動,致使該結(jié)構(gòu)摻雜區(qū)增加,電導(dǎo)率升高,電阻值變小,呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)(On);在外加反向電壓作用下,摻雜區(qū)由于反向電場的作用會逐漸縮小,致使電導(dǎo)率下降,電阻變大,呈現(xiàn)斷開狀態(tài)(O ).圖2給出了惠普憶阻的物理結(jié)構(gòu)模型,并給出該模型在正反向電壓作用下?lián)诫s區(qū)的變化

.

圖2外加正反向電壓摻雜區(qū)邊界的移動情況

Fig.2

Boundarymovesonpositiveornegativevoltage

進一步研究表明,電極及阻變層材料存在多樣

化.例如使用半金屬碲(Te)和金屬鈹(Be)作為兩端電極,TiO2作為阻變層的憶阻結(jié)構(gòu)[9];另一種使用金屬Pt和鉭(Ta)作為兩端電極,氧化鉭(TaOx)作為阻變材料的憶阻結(jié)構(gòu)[10].阻變材料的氧化物形式還有其他的金屬氧化物類型,例如WOx[11]、TiOx

等一元金屬氧化物和SrTiOx[12 13]

等多元金屬氧化物.非金屬氧化物也可以作為阻變材料,例如一種五層結(jié)構(gòu)的銀–硫族化合物也可以實現(xiàn)憶阻功能[14].

2)高分子聚合物憶阻

另一種薄膜憶阻模型稱為高分子聚合物憶阻(Polymericmemristor),也稱為有機憶阻(Organicmemristor),使用有機化合物薄膜作為阻變層材料,其導(dǎo)電機制是由于材料中含有帶電摻雜物或可移動的帶電分子在電壓作用下移動造成[2,15].例如利用聚苯胺(Polyaniline)的內(nèi)部氧化還原反應(yīng)造成離子濃度變化來充當(dāng)摻雜行為,通過化學(xué)反應(yīng)致使摻雜區(qū)擴散或收縮從而實現(xiàn)憶阻狀態(tài)改變[16];惠普實驗室和加州大學(xué)洛杉磯分校在2004年聯(lián)合研究出了一種以Pt和Ti作為電極,LB膜(Langmuir-blodgett lm)作為薄膜層結(jié)構(gòu)的憶阻[17],并提出該種機制可廣泛應(yīng)用在特定分子開關(guān)設(shè)計中.微電子聚合物在憶阻信息存儲方面的使用比使用晶體硅要更加便宜[18],聚合物存儲器大小由于可以達到微米

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