忆阻器是近年来备受关注的新型纳米器件，在新一代信息技术包括低功耗类脑计算、非易失逻辑以及数据存储等领域有着广阔的应用前景。其中，忆阻器的物理性质可以用来模拟大脑神经网络中神经突触与神经元的信息处理功能，并在此基础上研制新一代类脑计算机；作为逻辑元件，忆阻器还可以用来实现存储与计算融合的非易失性逻辑，有望有效降低计算系统的功耗。理解忆阻器的工作机制及微观动力学对于从原理出发设计实现低功耗高能效的逻辑、存储及神经形态器件具有重要意义。然而作为最早发现的忆阻材料体系，氧化物忆阻器的物理机制以前缺乏深刻的理解和有力的实验证据，成为长期困扰该领域研究者的关键难题。
针对这一难题，北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院杨玉超研究员-黄如院士课题组从氧化物忆阻器中离子输运过程的电荷属性出发，基于多功能扫描探针显微镜和球差矫正透射电镜手段，成功解析了该类忆阻器中的氧离子输运动力学，直接观察到了器件中纳米尺度导电通道的形成，获得了清晰的阻变过程物理图像。
本工作与国家纳米科学中心团队合作开展，利用原位导电原子力显微镜和静电力显微镜表征方法探测忆阻器中的离子聚集和可逆运动过程，并系统研究了在不同氧化物电解质、不同电场方向和不同环境条件下的离子输运行为，直接观察到了随着器件操作电压的不断升高在电极/氧化物界面逐步发生的离子聚集、电化学反应发生、氧气逸出、导电通道形成、电阻状态转变等一系列动力学过程。不同电解质体系（氧化铪、氧化钽、氧化铝）中的结果高度自洽，同时与相同条件下利用球差校正透射电镜获得的导电通道观察结果相互印证，并成功观察到了不同电场方向下离子的可逆运动。该研究方法充分结合了离子输运的电荷和质量两种属性，为固体中离子运动研究提供了一种高分辨、普适性的方法，所得实验结果揭示了氧化物忆阻器的工作机理，对进一步实现器件性能调控具有重要指导意义。
以上研究工作以《探测忆阻系统中的纳米尺度氧离子输运》（Probing nanoscale oxygen ion motion in memristive systems）为题，发表在2017年5月的《自然·通讯》杂志上（Nature Communications 2017, 8, 15173, Doi:10.1038/ncomms15173）。杨玉超研究员与国家纳米科学中心张小娴副研究员为论文的并列第一作者，黄如院士、杨玉超研究员与国家纳米科学中心裘晓辉研究员为论文的共同通讯作者。
相关研究得到了国家自然科学基金创新群体、国家自然科学基金面上项目、北京市科委“脑科学与类脑计算”专项课题的大力支持。
图1：通过导电原子力显微镜和静电力显微镜技术探测在不同电激励条件下氧化铪中氧离子运动和阻变的动力学过程及对应的局域形貌、电荷和介电常数变化。
图2：氧化铪系统中通过透射电镜能谱分析观察到的局域导电通道。
