據(jù)感存算一體微信公眾號，于2025年09月17日報道，華中科大翟天佑9月17日Nature Nanotech：分子晶體憶阻器。
背景介紹
現(xiàn)有的氧化物材料（HfO2、SiO2等）和二維材料雖然能實現(xiàn)電阻開關(guān)，但離子在晶界缺陷中的隨機遷移會形成不理想的導(dǎo)電絲，導(dǎo)致過高的能耗，而且重復(fù)的離子遷移會損壞共價晶格，造成器件失效。
一句話解釋
利用分子晶體Sb2O3的范德華間隙作為離子遷移通道，實現(xiàn)了超低能耗（26 zJ）和超高耐久性（>10^9次）的憶阻器，突破了傳統(tǒng)材料的根本性能限制。
圖1：新舊兩種憶阻器工作機理對比
圖1a-c 展示了傳統(tǒng)氧化物憶阻器（以HfO?為例）的工作困境。離子（如Ag?）只能沿著晶粒邊界等內(nèi)在缺陷遷移，這種遷移路徑是隨機且破壞性的，最終形成的導(dǎo)電細絲形狀不規(guī)則，并且會持續(xù)損傷晶體結(jié)構(gòu)。 圖1d-f 揭示了本文提出的分子晶體憶阻器（以Sb2O3為例）的機理，Sb2O3是由Sb6O6分子籠通過弱范德華力堆疊而成，分子籠之間天然存在著規(guī)整的分子間路徑，離子可以沿著這些預(yù)設(shè)的路徑遷移，而無需破壞分子籠本身。這樣形成的導(dǎo)電細絲是原子級別的鏈狀結(jié)構(gòu)，路徑可控且對晶體無損。
圖2：器件電學(xué)性能圖
2a-d 展示了器件的物理結(jié)構(gòu)。從宏觀的交叉陣列示意圖到微觀的器件單元放大圖，再到真實的光學(xué)顯微鏡和AFM圖像。 圖2e-f 非易失性存儲能力。可以通過改變限制電流來調(diào)控其電阻狀態(tài)。圖2g-h 在85°C的較高溫度下，多級電阻態(tài)仍能穩(wěn)定保持超過1000秒 ，通過Arrhenius模型推斷，其在85°C下的數(shù)據(jù)保持時間可超過10年。 圖2i-k 易失性功能。在極低的編程電流下（pA級別），器件轉(zhuǎn)變?yōu)殚撝甸_關(guān)模式，可承受超過10?次的編程循環(huán)而無性能衰減。 圖2l：能耗/編程電流有優(yōu)勢圖
3：微觀機理
圖3a-d 是基于密度泛函理論的理論模型，預(yù)測了Ag原子進入Sb2O3分子晶體后，會優(yōu)先占據(jù)能量最低的幾種間隙位置，隨著Ag濃度的增加，最終在特定的間隙（八面體位點）形成一維的原子鏈導(dǎo)電通路。圖3e-h TEM觀測。導(dǎo)通后，Sb2O3層中的晶格間距發(fā)生了微小但規(guī)整的膨脹，并且襯度變亮，這是Ag原子成功進入分子間隙的直接證據(jù)。 圖3i 實驗中觀測到的晶面間距變化趨勢與DFT模型預(yù)測的結(jié)果吻合。 圖3j-k EDS線掃描結(jié)果顯示，原始狀態(tài)的Sb2O3層幾乎沒有Ag信號，而導(dǎo)通后，Ag元素均勻地分布在整個Sb2O3層中，其平均原子比例與理論模型預(yù)測形成導(dǎo)電通路時的比例相符。
圖4：實際應(yīng)用演示
圖4a-d 憶阻器被成功地集成在CMOS晶體管基底上，構(gòu)成了1T1R單元陣列芯片。 圖4e 利用該芯片構(gòu)建了一個儲備池計算（RC）系統(tǒng)，用于識別動態(tài)視頻中的撲克牌花色。利用了器件的易失性作為儲備池進行數(shù)據(jù)的高維映射，利用其非易失性作為讀出層進行分類決策。 圖4f-h 器件作為儲備池時響應(yīng)穩(wěn)定，作為讀出層時權(quán)重編程精度極高，最終，整個硬件系統(tǒng)在動態(tài)視覺識別任務(wù)中實現(xiàn)了 100%的準(zhǔn)確率。
點評：
從原子晶體轉(zhuǎn)向分子晶體確實提供了新的設(shè)計思路，性能也很優(yōu)秀。部分性能屬于外推而不是實測，此外這個材料穩(wěn)定性可能有些問題。 常見的晶體結(jié)構(gòu)可以分為分子晶體，原子晶體，離子晶體，金屬晶體，當(dāng)前金屬晶體以及幾種復(fù)合組成憶阻器研究較少。比如利用金屬晶體邊緣的量子效應(yīng)金屬晶體中，通過在原子尺度上精確調(diào)控其邊緣的量子行為來創(chuàng)造電阻態(tài)切換。
