本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。
科學家們正在研究新的材料，以創造出基於人腦設計的神經形態計算機。一個關鍵的組成部分是憶阻器，其憶阻取決於設備的歷史，就像神經元的反應取決於以前的輸入一樣。來自格羅寧根大學的材料科學家分析了氧化鍶鈦的行為，這是一種用於憶阻器研究的平臺材料，並使用二維材料石墨烯來探測它。
基於開關的計算機，其值為0或1。使用大量這樣的二進位系統，計算機可以非常快速地進行計算。然而，在其他方面，計算機的效率並不高。與標準的微處理器相比，大腦在識別面孔或執行其他複雜任務時消耗的能量更少。這是因為大腦是由神經元組成的，這些神經元可以有許多0和1以外的值，而且神經元的輸出取決於以前的輸入。
為了製造記憶電阻（memristors），即對過去事件有記憶的開關，經常使用氧化鈦鍶（STO）。這種材料是一種過氧化物，其晶體結構取決於溫度，在低溫下可以成為一種初始鐵電體。在105開爾文以上就會失去鐵電行為。伴隨這些相變的疇和疇壁是研究的主要方向。然而，目前仍不完全清楚為什麼該材料會有這樣的行為。格羅寧根大學Zernike先進材料研究所的功能材料自旋電子學教授Tamalika Banerjee說："它是自成一體的"。
晶體中的氧原子似乎是其行為的關鍵。"氧空位可以在晶體中移動，這些缺陷很重要，"Banerjee說。"此外，材料中存在疇壁，當對其施加電壓時，它們會移動。" 眾多研究都試圖找出這種情況是如何發生的，但觀察這種材料的內部是很複雜的。然而，Banerjee的團隊成功地使用了另一種自身的材料：石墨烯。
"石墨烯的特性是由其純度決定的，"Banerjee說，"而STO的特性來自晶體結構的不完美。我們發現，將它們結合起來會帶來新的可能性。" 這項工作大部分是由Banerjee的博士生Si Chen完成的。她將石墨烯條放在STO的薄片上，通過在正值和負值之間掃視柵極電壓來測量不同溫度下的導電性。"當電子或由柵極電壓產生的正孔過剩時，石墨烯就會變得導電，"Chen解釋說。"但在電子和空穴數量非常少的點，即狄拉克點，導電性是有限的。"
在正常情況下，最小電導率位置不會隨著柵極電壓的掃描方向而改變。但是，在STO上面的石墨烯條帶中，正向掃射和反向掃射的最小電導率位置有很大的不同。在4開爾文時效果非常明顯，但在105開爾文或150開爾文時效果不太明顯。對結果的分析以及在烏普薩拉大學進行的理論研究表明，STO表面附近的氧空位是原因之一。
Banerjee說："低於105開爾文的相變會拉伸晶體結構，產生偶極子。我們發現，氧空位聚集在疇壁，這些壁為氧空位的移動提供了通道。這些通道負責STO中的memristive行為。" 氧空位通道在STO晶體結構中的積累解釋了最小電導率位置的變化。
Chen還進行了另一項實驗。"我們將STO的柵極電壓保持在-80V，並測量石墨烯中的憶阻近半小時。在這期間，我們觀察到了憶阻的變化，說明從空穴導電轉變為電子導電。" 這種效應主要是由STO表面氧空位的積累引起的。
總而言之，STO/石墨烯組合材料的特性是通過電子和離子的運動來改變的，每一個電子和離子的運動都有不同的時間尺度。通過採集其中一個或另一個，可以利用不同的響應時間來創造記憶效應， 這可以與短期或長期記憶效應相比較。而與石墨烯的結合，為結合鐵電材料和二維材料的memristive異構開闢了一條新的道路。
論文標題為《Unveiling Temperature-Induced Structural Domains and Movement of Oxygen Vacancies in SrTiO3 with Graphene》，發表在《ACS Applied Materials and Interfaces》雜誌上。