【国内论文】Mat. Today. Phys丨浙江理工大学：CeO₂/a-Ga₂O₃异质结中稳定的忆阻开关机制实现突触可塑性与逻辑运算

        由浙江理工大学的研究团队在学术期刊 Materials Today Physics 发布了一篇名为Stable Memristive Switching Mechanism in CeO₂/a-Ga₂O₃ Heterostructure toward Synaptic Plasticity and Logical Operations（CeO₂/a-Ga₂O₃ 异质结中稳定的忆阻开关机制实现突触可塑性与逻辑运算）的文章。

        忆阻器作为模拟人类大脑突触功能的下一代存储与计算元器件，正受到学术界的广泛关注。氧化镓具有超宽禁带、极佳的化学稳定性以及可调控的缺陷能级，被认为是构建下一代高性能忆阻器的极佳候选材料。这些特性使其在实现高稳定性和多级可编程电阻开关行为方面具有独特优势。目前大多数氧化镓基忆阻器依赖于导电丝机制。在外加电场下，氧空位迁移并随机形成或断裂局部导电路径。然而，这种随机过程会导致开关电压波动剧烈，严重限制了器件的重复性、可靠性和实际应用潜力。异质结忆阻器可以将开关机制从受体缺陷支配的随机过程转化为界面电荷与能量的精确调节。利用不同材料层的能带对齐和功函数差异，形成内部电场和界面势垒。电阻的切换不再依赖于随机的导电丝，而是通过势垒高度或宽度的调制来实现。本研究引入富含氧空位的二氧化铈（CeO₂） 作为氧空位储层。通过这种设计，可以在电压驱动下实现氧空位的定向迁移，从而有效抑制空间上的随机性，显著提高开关的均匀性和耐用性。

        Ga₂O₃ 凭借其超宽带隙、卓越的化学稳定性及可调谐的缺陷能态，已成为新一代忆阻材料极具前景的候选者。然而，单层 Ga₂O₃ 忆阻器常因导电丝的随机形成与断裂导致开关电压不稳定，阻碍其实际应用。本研究通过采用富氧空位 CeO₂ 作为氧空位库，制备出具有高氧空位梯度的 CeO₂/非晶 Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）异质结忆阻器。该器件的导电变化源于可逆空位迁移而非导电丝形成，从而确保了稳定均匀的开关特性。该器件展现出卓越的开关均匀性，其 V_set 和 V_reset 的变异系数分别低至 0.18 和 0.15，较单层 a-Ga₂O₃ 器件（分别为 0.40 和 0.53）显著提升。此外，高阻态与低阻态在暗环境下均能保持高达 10⁴ 秒的稳定性。本研究为实现宽带隙氧化物忆阻器中稳定、均匀且无丝状结构的电阻切换提供了有效途径，为可靠的神经形态与逻辑器件应用奠定了基础。

        ● 通过建立 CeO₂ 氧空位梯度，将随机成丝转化为界面迁移，为宽禁带氧化物忆阻器的稳定性提升提供了可行策略。

        ● 成功模拟了神经系统的短程塑性到长程塑性的转变，并实现了学习-遗忘-再学习的生物行为过程。

        ● 利用光脉冲和电脉冲作为输入，在单一器件中成功演示了 AND 和 OR 逻辑门的运作，为光电融合计算提供了基础。

        本研究报道了一种基于 CeO₂/a-Ga₂O₃ 的忆阻器。与单介质 a-Ga₂O₃ 忆阻器相比，该器件在暗态和光照下具有更稳定的切换电压，其高阻态（HRS）和低阻态（LRS）可在 10⁴ 秒内保持良好稳定性。同时，通过调控光照与电压成功实现逻辑运算，展现出在信息传输与数据安全加密领域的应用潜力。此外，深入研究了 CeO₂/a-Ga₂O₃ 忆阻器的突触性能。通过改变不同刺激参数，器件成功实现从短期增强（STP）到长期增强（LTP）的转变，并成功模拟了学习-遗忘-再学习过程，证明该忆阻器具有卓越的神经模拟能力。这为忆阻器在类脑计算中的应用奠定了更稳固的器件基础。本研究可为其他学者探索忆阻器在逻辑运算与类脑计算中的应用提供参考，并为视觉识别、信息安全等领域提供更可靠稳定的解决方案参考。

        本研究得到中国浙江省自然科学基金（LQ24F040002）、国家自然科学基金（编号：62304205、62274148、62374147、 U23A20349），浙江理工大学科学基金（编号：22062337-Y, 25062169-Y）以及杭州市自然科学基金（编号：2024SZRZDF040001）。

图1. (a) 非晶态 Ga₂O₃ 薄膜与 CeO₂ 薄膜的表面扫描电子显微镜图像。(b) CeO₂ 与非晶态 Ga₂O₃ 的能谱映射图。(c) 非晶态 Ga₂O₃/FTO、CeO₂/FTO 及 FTO 的 X 射线衍射图谱。(d) 非晶态 Ga₂O₃ 的光吸收光谱。(e) CeO₂ 的光学吸收光谱。(f) a-Ga₂O₃ 的 XPS 光谱。(g) CeO₂ 的 XPS 光谱。(h) 空气退火后 a-Ga₂O₃ 的 XPS O1s 谱。(i) CeO₂ 的 XPS O1s 谱。

图2. (a) CeO₂/a-Ga₂O₃ 在暗态及 254 nm 光照下的 I-V 曲线。 (b) CeO₂/a-Ga₂O₃ 忆阻器在暗态下 V_Set 与 V_Reset 的分布范围。(c) 254 nm 光照下 CeO₂/a-Ga₂O₃ 忆阻器 V_Set 与 V_Reset 的分布范围。(d) 在 -0.12 V 读取条件下，暗态与 254 nm 光照下 HRS 和 LRS 变化趋势（50 次循环）。(e) 0.03 V 读取条件下的保持特性。(f) Ln-Ln 标度下的线性拟合曲线。(g) 接触前 CeO₂ 与 a-Ga₂O₃ 的示意能带图。(h) 写入过程的能带图。(i) 擦除过程的能带图。(j) 接触后 CeO₂ 与 a-Ga₂O₃ 能带示意图。(k) 254nm 波长下 SET 过程的能带图。(l) 254nm 波长下 RESET 过程的能带图。

图3. (a) CeO₂/a-Ga₂O₃ 器件与生物突触的示意图。(b) 由单个脉宽为 2 秒的 254 nm 光脉冲触发的 EPSC。(c) 由不同脉宽的单个 254 nm 光脉冲触发的 EPSC。(d) 由不同脉冲次数的单个 254 nm 光脉冲触发的 EPSC。(e) 不同强度 254 nm 光脉冲诱发的EPSC。 (f) 器件的学习过程示意图。 (g) 光脉冲对刺激下光伏突触的 PPF 曲线。 (h) 不同脉冲宽度下 PPF 指数与时间间隔的关系。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtphys.2026.102014