通过结合初期铁电体和石墨烯对忆阻器件的新见解

科学家们正在研究新材料，以创建基于人脑设计的神经形态计算机。一个关键组件是忆阻装置，其电阻取决于装置的历史——就像神经元的反应取决于先前的输入一样。格罗宁根大学的材料科学家分析了锶钛氧化物(一种用于忆阻器研究的平台材料)的行为，并使用二维材料石墨烯对其进行了探测。2020 年 11 月 11 日，结果发表在ACS Applied Materials and Interfaces杂志上。

基于值为 0 或 1 的开关的计算机。使用大量这些二进制系统，计算机可以非常快速地执行计算。然而，在其他方面，计算机的效率并不高。与标准微处理器相比，大脑在识别面部或执行其他复杂任务时消耗的能量更少。这是因为大脑由神经元组成，这些神经元可以具有除 0 和 1 之外的许多值，而且神经元的输出取决于先前的输入。

氧空位

为了制造忆阻器、具有过去事件记忆的开关，经常使用氧化锶钛 (STO)。这种材料是一种钙钛矿，其晶体结构取决于温度，并且可以在低温下成为初期铁电体。铁电行为在 105 开尔文以上消失。伴随这些相变的畴和畴壁是积极研究的主题。然而，仍然不完全清楚为什么材料的行为方式如此。格罗宁根大学泽尼克先进材料研究所功能材料自旋电子学教授 Tamalika Banerjee 说：“它自成一格。”

晶体中的氧原子似乎是其行为的关键。“氧空位可以穿过晶体，这些缺陷很重要，”班纳吉说。“此外，畴壁存在于材料中，当施加电压时它们会移动。” 许多研究试图找出这种情况是如何发生的，但深入了解这种材料是很复杂的。然而，班纳吉的团队成功地使用了另一种属于自己的材料：石墨烯，二维碳片。

电导率

“石墨烯的特性取决于其纯度，”班纳吉说，“而 STO 的特性则源于晶体结构的缺陷。我们发现将它们结合起来会带来新的见解和可能性。” 这项工作的大部分是由 Banerjee 的博士完成的。陈思同学。她将石墨烯条放在 STO 薄片的顶部，并通过在正负值之间扫描栅极电压来测量不同温度下的电导率。“当栅极电压产生过量的电子或空穴时，石墨烯就会导电，”陈解释道。“但是在电子和空穴非常少的点，狄拉克点，导电性是有限的。”

在正常情况下，最小导电位置不随栅极电压的扫描方向而变化。然而，在 STO 顶部的石墨烯条带中，正向扫描和反向扫描的最小电导率位置之间存在很大的间隔。该效果在 4 开尔文时非常明显，但在 105 开尔文或 150 开尔文时不太明显。对结果的分析以及在乌普萨拉大学进行的理论研究表明，STO 表面附近的氧空位是造成这种情况的原因。

记忆

Banerjee：“低于 105 开尔文的相变拉伸晶体结构，产生偶极子。我们表明氧空位在畴壁上积累，这些壁为氧空位的运动提供了通道。这些通道负责 STO 中的忆阻行为.” STO晶体结构中氧空位通道的积累解释了最小电导率位置的变化。

陈还进行了另一项实验：“我们将 STO 栅极电压保持在 -80 V，并测量了石墨烯中的电阻近半小时。在此期间，我们观察到电阻的变化，表明从空穴到电子的导电性转变.” 这种效应主要是由STO 表面氧空位的积累引起的。

总而言之，实验表明，STO/石墨烯组合材料的特性会随着电子和离子的运动而变化，每个都在不同的时间尺度上。Banerjee：“通过收获其中之一，我们可以使用不同的响应时间来创造记忆效应，这可以与短期或长期记忆效应进行比较。” 该研究为 STO 忆阻器的行为提供了新的见解。“并且与石墨烯的结合为结合铁电材料和二维材料的忆阻异质结构开辟了一条新途径。”

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