納米科學：實驗證明了憶阻器的工作原理！
這一結果是設計這些固態器件的重要一步，可用於未來的計算機存儲器，這些存儲器運行速度更快，壽命更長，能耗比現今的快閃記憶體更少。結果發表於2月的Advanced Materials。
「我們需要這樣的信息才能設計出能夠在商業上取得成功的憶阻器，」HPE科學家，該集團技術論文的第一作者Suhas Kumar說。
憶阻器在理論上於1971年被提出作為電阻器，電容器和電感器的第四個基本電子器件元件。其核心是夾在兩個電極之間的一小塊過渡金屬氧化物。施加正或負電壓脈衝會顯著增加或減少憶阻器的電阻。這種行為使其適合用作「非易失性」計算機存儲器，與快閃記憶體一樣，可以保持其狀態而不需要額外的電源刷新。
在過去十年中，由高級研究員R. Stanley Williams領導的HPE小組詳細探討了憶阻器的設計，材料和行為。自2009年以來，他們使用強烈的同步輻射X射線來揭示切換過程中憶阻器中原子的運動。儘管在理解這種轉換的本質方面取得了進展，但在設計商業上成功的電路時重要的細節仍然存在爭議。例如，移動原子的力，導致切換期間的劇烈阻力變化仍然存在爭議。
近年來，該小組研究了用鈦，鉭和釩的氧化物製成的憶阻器。初步實驗表明，最容易控制氧化鉭裝置的切換，因此選擇在美國能源部科學用戶設施辦公室 - SLAC的斯坦福同步輻射光源（SSRL）和伯克利實驗室的高級光源（ALS）進行進一步勘探。
在ALS，HPE研究人員繪製了切換前後氧原子的位置。為此，他們使用掃描透射X射線顯微鏡和他們建造的設備來精確控制樣品的位置以及500電子伏特ALS X射線的時間和強度，這些X射線被調諧以觀察氧氣。
實驗表明，即使是微弱的電壓脈衝也會通過憶阻器形成一條薄的導電路徑。在脈衝期間，路徑加熱，從而產生將氧原子推理路徑的力，使其更加導電。反轉電壓脈衝通過將一些氧原子吸回導電路徑來重置憶阻器，從而增加器件的電阻。憶阻器的電阻變化在10倍到100萬倍之間，具體取決於電壓脈衝幅度等工作參數。這種阻力變化足以在商業上得到利用。
為了確定他們的結論，研究人員還需要了解鉭原子在切換過程中是否隨氧氣一起移動。成像鉭需要更高能量，10,000電子伏特的X射線，這是他們在SSRL的射線6-2線上獲得的。在那裡的一次會議中，他們確定鉭保持靜止。
「這使得這筆交易成為可能，讓我們相信我們的假設是正確的，」HPE科學家凱薩琳格雷夫斯說，他曾在SSRL擔任史丹福大學研究生。她補充說，與SLAC專家的討論對於指導HPE團隊採用X射線技術至關重要，這些技術可以讓他們準確地看到鉭。
庫馬爾說，氧化鉭結果最有希望的方面是，科學家們認為，切換超過10億個適合商業用途的電壓脈衝的電壓沒有降低。他補充說，這些知識幫助他的團隊建立了長達近十億次開關周期的憶阻器，大約提高了一千倍。
「這比今天的快閃記憶體設備的耐久性要長得多，」庫馬爾說。「此外，我們還使用了更高的電壓脈衝來加速和觀察憶阻器故障，這對於理解這些裝置的工作原理也非常重要。當氧原子被迫離得太遠以至於它們沒有返回到它們的初始位置時，會發生故障。」
除了存儲晶片，Kumar說憶阻器的快速開關速度和小尺寸可以使它們適用於邏輯電路。額外的憶阻器特徵在新興的腦啟發式神經形態計算電路中也可能是有益的。
「與憶阻器相比，電晶體大而笨重，」他說。「憶阻器也更適合於產生類似神經元的電壓尖峰，這是神經形態電路的特徵。