text: 文献阅读笔记
  现实需求：计算速度和计算机功耗困难：一个是浮栅闪存结构的物理窄化限制，另一个是冯-诺-曼架构中处理器与内存之间的指令传输延迟，也被称为内存墙。忆阻器具有读写速度快、能耗低、集成度高、多电阻、非易失等特点。一般来说，只要能在电压或电流作用下显示出磁滞回线特性的器件就是忆阻器。如图 (b)所示，忆阻器一般由顶部电极（TE）、底部电极（BE）和介质层组成。顶部电极（TE）和底部电极（BE）通常是金属或导电材料，介电层通常是绝缘体。根据外加电压的极性，忆阻器可分为单极和双极两种，如图（c）所示。在单极器件中，有一个设定电压（Vset）。当外部施加的电压达到该设定电压时，电阻将从高阻状态变为低阻状态（LRS），然后器件将重新扫描。目前有一个复位电压 (V_Reset)。当扫描电压达到复位电压时，电阻将从低阻变为高阻，VReset 通常小于 VSet。同样，双极忆阻器也有 V_Set 和 V_Reset，但它们出现在不同的极性电压扫描过程中。一些特殊的忆阻器由于结构和反应机制不同，可以产生单极或双极电阻开关现象。本文结构：局部效应：器件的电阻开关由这些导电丝的形成和断裂控制，这些导电丝通常由氧空位或金属离子组成。根据不同的原理，局部效应机制可分为三种类型：(1) 电化学金属化机制（ECM）；(2) 热化学机制（TCM）；(3) 价转换机制（VCM）。在 ECM 中，导电丝主要由活性电极氧化的金属阳离子形成，金属阳离子的氧化还原过程实现了电阻开关过程。TCM 主要是由于介质层材料随温度变化而形成/断裂导电丝。在 VCM 中，在电场作用下，器件介电层中的氧空位迁移，并伴随氧化还原反应形成/断裂局部导电丝。整体效应：与器件界面势垒的变化以及电阻材料对电荷的捕获和释放密切相关 。它还包括空间电荷限制电流 (SCLC) 模型和普尔-弗伦克尔发射模型。透明忆阻器潜在的应用领域：光电神经形态系统、人工智能和人类视觉系统等。这些研究证明了透明忆阻器在未来非易失性存储器应用中的潜力。材料的透明度与其带隙呈正相关。其带隙呈正相关。一般来说，宽带隙器件具有更好的稳定性。如表 3 所示，目前只有少数透明忆阻器可以模拟神经网络功能。主要是因为神经网络构建的复杂性，利用透明忆阻器构建神经网络系统还将面临功耗、算法和稳定性等诸多挑战。(a) 在 Wu 等人制备的具有 ITO/LaAlO3(LAO)/SrTiO3(STO)结构的透明忆阻器中，当器件处于 LRS 时，传导行为由 Poole-Frenkel 发射主导。当器件处于 HRS 时，传导行为则服从热离子发射(b) 在向膜电阻器施加负电压后，许多氧空位从 STO 子层被驱动到 LAO 薄膜上，形成电子跳跃通道。当 LAO 薄膜中的通道与 ITO 电极相连时，电子很容易沿着通道跳跃并导致电流增加，从而在负电压下转变为 LRS。当施加正电压时，氧空位会迁移回 STO 基底。LAO 薄膜中的肖特基势垒可以恢复到原始状态。因此，LAO 薄膜中的高势垒会阻止电子穿过 LAO 薄膜。电子必须通过 LAO 薄膜中的肖特基势垒发射出去，从而产生 HRS(c)-(e) Pan 等人报道了一种具有 Au/SnO2/FTO 结构的透明忆阻器。Pan 等人报告的透明忆阻器显示了器件间肖特基势垒的变化趋势。该器件的肖特基势垒主要集中在金/二氧化硅界面上；当在金上施加正电压时，从二氧化硅到金的势垒（φ_BS）降低。电子很容易从二氧化锡迁移到金，从而产生较大的电流（图 9(d)）。当对金施加负电压时，势垒（φ_BS）将变得非常大。电子很难克服从金到二氧化硫的势垒，因此电流很小，几乎是恒定的(a)-(e) 某些忆阻器的电阻开关机制是通过捕获和释放电子来改变界面势垒，从而实现电阻转换。Singh 等人基于 WO3/NiO/FTO 异质结构制造了一种双端透明电子突触器件。该器件的电阻转换机制是通过在 WO3/NiO 界面捕获和释放电子来实现的。(a) Liu 等人利用射频磁控溅射技术，在 RT 状态下制备了一种具有 ITO/SiOx/ITO 结构的透明忆阻器。当施加正电压时，底部 ITO 的氧离子（O2-）向上迁移，使产生的氧空位聚集成丝。在正电压的作用下，电子从 BE 注入到 SiOx 薄膜，然后通过跃迁过氧化物空位迁移到 TE，从而使器件处于 LRS 状态。在复位过程中，电子在 TE 附近消耗的氧空位可与 O2- 重新结合，从而在 TE 附近产生电流，引起局部焦耳热，加速导电丝的断裂，器件处于 HRS 状态。当正向电压达到设定电压时，由于氧离子被驱回 TE，导电丝形成，这就是Set过程(b) Ismail 等人制造了一种 ITO/CeO2/ITO 透明忆阻器。忆阻器的工作原理是通过对电极施加正向或反向偏压，控制氧空位对导电丝的形成和溶解。(c) Lin 等人制备了 ITO/WOx (x &lt; 3)/WO3/ZnO/AlN/ITO 结构透明忆阻器。氧空位主导了这些器件的电阻开关机制。此外，在一些透明忆阻器的电阻开关机制中，不仅氧空位参与了导电丝的形成和溶解，器件中的金属离子也参与其中并发挥了重要作用。(a) 在 Simanjuntak 等人开发的 AZO/ZnO/ITO 透明忆阻器中，由于 In3+ 在氧化物中具有高迁移率，它也会与器件中的氧空位一起参与导电丝的形成和溶解。这种原始器件含有大量 In3+、O2- 和 Vo2+（图 （a-i））。在形成过程中，形成了由 In3+ 和 Vo 2+ 组成的导电丝（图 （a-ii））。在复位过程中，正偏压会使底部的氧与灯丝中的氧空位重新结合。与此同时，灯丝中的 In 原子被重新电离；因此，灯丝在此过程中溶解（图 （a-iii）和（a-iv））。同样，设定过程也是相反的；氧原子被再电离，在负偏压中产生氧空位，而 In 离子被还原，形成导电丝（图 （a-v））。(b-e) Rajasekaran 等人制作了以 TaOx/AIN 为介电层的 ITO/TaOx/AIN/ITO 结构忆阻器。(b) 是双层（DL）器件原始状态下的透射电子显微镜截面显微照片，表明器件结构由 25 nm 的非晶态 TaOx 开关层和 3 nm 的 AlN 插入层组成。同时，利用 TEM 对 LRS 条件下的 DL 器件进行了分析。结果表明，从 TE 到 BE 形成了锥形铟（In）丝，如（c）的 5 nm 放大图所示。根据快速四艾尔变分析，结晶相的 d 间距接近单斜氧化铟钽（In-Ta）（JCPDS # 81-1196）。如(d)和(e)所示，元素分布图显示结晶相富含 In，这一点已通过能量分解光谱仪（EDS）分析得到证实。最后，证明该器件的电阻开关机制是通过器件中铟丝的断裂实现的。(a-b) Yan 等人制备了一种 W/egg protein/ITO/PET 透明柔性器件，其电阻机理源自蛋白中所含微量元素的迁移（13(a)）。蛋白主要由化学键相对较弱的球状蛋白质组成，因此在外加电场的作用下，这些化学键会形成（断裂），并吸收（释放）电子，电子会与蛋白中的痕量金属离子发生氧化还原反应，从而参与导电丝的形成和溶解 。为了获得更好的 RS 性能，Abbas 等人选择了生物兼容的 Cu2+ 掺杂鲑鱼 DNA 复合薄膜作为生物膜电阻器的介电层。如图 (b)所示，在外加电场的作用下，掺杂铜离子迁移到电极上，器件形成并溶解导电丝，从而产生电阻转换现象.(c) 在 Ren 等人制备的 ITO/PAA/PEI/ITO 忆阻器中，电阻开关机制源于离子双电层的消失和出现。在 TE 上施加负偏压后，多阴离子（PAA）反离子（H+）被诱导迁移到电极表面。此外，底层聚电解质链（聚乙烯亚胺 (PEI)）中的阳离子（-NH3+）也被驱动迁移到 PAA 的顶层（PAA 层）。与此同时，在 BE 层上实现了不对称行为，从而在 PAA 层上形成了一个不对称层。在 BE 上实现了不对称行为，从而导致离子双分子层（LRS）的消失。在 TE 上施加正偏压后，聚电解质链逐渐远离电极表面，随着施加电压的增加，聚电解质链被激活并相互分离，导致离子双分子层重新出现近年来对透明忆阻器的研究主要集中在非易失性存储器、模拟生物突触和神经网络方面。透明忆阻器在未来的光电探测器、光电存储器、人工智能和高透明电子产品等方面具有巨大的应用潜力。根据最新研究，透明忆阻器的主要电阻开关机制是由氧空位或金属离子形成的导电丝的形成和溶解决定的（Local effects）。还有一些忆阻器的电阻开关机制是由器件内不同材料界面上形成的界面势垒的变化决定的（Overall effect）。然而，这些研究很少有直观的图像证据，对电阻开关机制的类型缺乏充分有力的证明。虽然近年来透明忆阻器的性能有了很大提高，但仍有一些问题有待解决。例如，透明忆阻器的透射率与性能之间的关系研究较少，而这对其研究意义重大。在以往的报道中，由于缺乏对电阻开关过程中导电丝形成和断裂的直观观察，使得透明忆阻器的机理难以深入研究。同时，有报道称，在一些透明忆阻器的电阻开关过程中，ITO 会提供 In 离子形成 In 导电丝，从而影响器件的性能。然而，对于常见的透明忆阻器材料（如 ITO、ZnO 等）在电阻开关机制中的作用和影响还缺乏分析。因此，通过技术手段探索透明忆阻器的电阻开关机理仍需付出大量努力，这将促进透明材料在未来低功耗、高密度存储器和光电忆阻器中的开发和应用。从这个角度出发，详细论述了透明忆阻器的研究现状，为开发低功耗透明忆阻器以及未来的光电忆阻器提供了有价值的启示。