综述格式_2013忆阻及其应用研究综述

发布时间：2016-11-14 10:51

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2013忆阻及其应用研究综述

在2008年5月的《自然》杂志上.忆阻的发现足以媲美100年前发明的三极管,其任何一项产业化应用都可能带来新一轮的产业革命.中国科技部2010年4月13日在其官方网站上指出:“美国惠普实验室科学家2010年4月8日在《自然》杂志上撰文表示,他们在忆阻设计上取得重大突破,发现忆阻可进行布尔逻辑运算,用于数据处理和存储[4 5]”.

目前,忆阻的国内外研究主要集中在两个方面:1)按照惠普实验室研究的思路,研究如何以最经济实惠的材料制作出具有忆阻特性的器件;2)按照蔡少棠教授的思路,研究由忆阻构建的系统的动力学行为及其应用.

1忆阻的分类及其制造

普通电阻两端的电压和流经的电流呈现的是线性关系,而忆阻两端在外界正弦电压的作用下,电压和流经的电流的关系是非线性的,并且这种非线性关系曲线表现为对频率响应的李萨如图形[2].近些年的研究发现很多纳米材料能够实现忆阻的非线性特性,下面首先介绍忆阻和忆阻系统的概念,并阐述忆阻的特性;而后将根据材料的不同来分类介绍几种典型的忆阻系统[6],分析其物理机制和导电机理,并总结每种忆阻系统的特性和优缺点;最后介绍目前较为常见的两种忆阻元件的制造技术.

1.1忆阻和忆阻系统

1971年,蔡少棠教授给出忆阻的定义为一种表现电荷和磁通量关系的非线性无源两端电气元件[1].1976年,蔡少棠将忆阻的概念一般化,提出了新的概念—忆阻系统(Memristivesystems).忆阻系统指的是,存在一类物理设备和系统,其特性类似忆阻,但是并不能真实地由忆阻来建模,原因是因为忆阻只是众多此类动态系统中的一个特例,因此将这类设备和系统称之为忆阻系统[7].并指出,忆阻系统最大的特点是过零属性(Zero-crossing),即任何时候当系统输入为零,则系统输出也为零,即输入输出的李萨如图形一定过坐标轴零点.更进一步指出,很多设备和系统具有耗散(Dissipative)特征的都可以建模为忆阻系统[7].

1.2忆阻系统的分类及其导电机理1.2.1薄膜忆阻系统

薄膜忆阻系统(Thin- lmmemristivesys-tems),是一种两端结构模型[2].物理结构为金属电极/中间层(阻变层)/金属电极,以自由离子作为电荷载体,自由离子由于外界正反电压的作用在阻变层形成导电通道,进而来回移动使忆阻本身出现“开”或“关”的状态.其中阻变层材料有二元、多元

金属氧化物材料、有机材料、固态电解液材料等[8].

1)惠普二氧化钛忆阻

惠普的TiO2忆阻是一种薄膜忆阻模型[2],其两端使用金属铂(Pt)作为电极,中间使用TiO2 x–TiO2结构作为阻变层.其中,TiO2 x为掺杂区,TiO2为非掺杂区,TiO2 x比TiO2少了几个氧离子,进而产生了带+2价正电荷的氧空洞.该结构忆阻的导电是由掺杂区氧空洞的移动造成的,由于TiO2具有半导体性质,并且对缺氧非常敏感,故掺杂部分在外加正向电压的作用下,会有很高的电导率,并且在正向电场的作用下,掺杂区右边界会向非掺杂区移动,致使该结构掺杂区增加,电导率升高,电阻值变小,呈现导通状态(On);在外加反向电压作用下,掺杂区由于反向电场的作用会逐渐缩小,致使电导率下降,电阻变大,呈现断开状态(O ).图2给出了惠普忆阻的物理结构模型,并给出该模型在正反向电压作用下掺杂区的变化

2013忆阻及其应用研究综述

图2外加正反向电压掺杂区边界的移动情况

Fig.2

Boundarymovesonpositiveornegativevoltage

进一步研究表明,电极及阻变层材料存在多样

化.例如使用半金属碲(Te)和金属铍(Be)作为两端电极,TiO2作为阻变层的忆阻结构[9];另一种使用金属Pt和钽(Ta)作为两端电极,氧化钽(TaOx)作为阻变材料的忆阻结构[10].阻变材料的氧化物形式还有其他的金属氧化物类型,例如WOx[11]、TiOx

等一元金属氧化物和SrTiOx[12 13]

等多元金属氧化物.非金属氧化物也可以作为阻变材料,例如一种五层结构的银–硫族化合物也可以实现忆阻功能[14].

2)高分子聚合物忆阻

另一种薄膜忆阻模型称为高分子聚合物忆阻(Polymericmemristor),也称为有机忆阻(Organicmemristor),使用有机化合物薄膜作为阻变层材料,其导电机制是由于材料中含有带电掺杂物或可移动的带电分子在电压作用下移动造成[2,15].例如利用聚苯胺(Polyaniline)的内部氧化还原反应造成离子浓度变化来充当掺杂行为,通过化学反应致使掺杂区扩散或收缩从而实现忆阻状态改变[16];惠普实验室和加州大学洛杉矶分校在2004年联合研究出了一种以Pt和Ti作为电极,LB膜(Langmuir-blodgett lm)作为薄膜层结构的忆阻[17],并提出该种机制可广泛应用在特定分子开关设计中.微电子聚合物在忆阻信息存储方面的使用比使用晶体硅要更加便宜[18],聚合物存储器大小由于可以达到微米

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