【国内论文】J. Phys. Chem. Lett.丨陕西科技大学团队开发高可靠 Ga₂O₃ 异质结忆阻器，推动神经形态计算发展

        由陕西科技大学的研究团队在学术期刊 The Journal of Physical Chemistry Letters 发布了一篇名为 Filament Confinement Engineered Heterostructure Memristors for Reliable Artificial Synaptic Applications and Neuromorphic Computing（导电丝限域工程异质结忆阻器用于高可靠人工突触与神经形态计算）的文章。

        人工智能快速发展推动存内计算硬件需求激增，传统冯诺依曼架构存在存储与计算分离瓶颈，海量数据实时处理效率低下。忆阻器结构简单、功耗低、开关速度快，电导可随电压动态调控，能模拟生物突触权重变化，是神经形态计算核心硬件。非晶 Ga₂O₃ 带隙宽、化学热稳定性优异，是极具潜力的阻变介质，但单层 Ga₂O₃ 忆阻器存在开关电压波动大、循环稳定性差、电导连续调制能力不足等缺陷，难以搭建高精度人工神经网络。现有优化手段多为单一薄膜改性，异质结对导电丝生长限域机制缺少系统研究。本文设计 a-TiO₂/a-Ga₂O₃ 双层异质结阻变层，利用界面内建电场调控氧空位迁移路径，实现导电丝有序成核生长；系统对比单层与异质结器件电学、突触性能，解析界面能带对齐带来稳定性提升机理，为宽禁带氧化物高可靠忆阻器与类脑计算器件提供界面工程新策略。

        氧化镓（Ga₂O₃）凭借宽禁带、氧敏感特性与优异光电性能，在忆阻器领域获得广泛研究，但现有氧化镧器件普遍存在开关电压偏高、稳定性不足的问题。本文制备基于 a-TiO₂/a-Ga₂O₃ 异质结的高稳定阻变忆阻器；与单层器件相比，异质结器件综合性能大幅提升，开关比提升一个数量级以上，数据保持特性超过 10⁴ s，耐久循环超 500 次，同时具备稳定的长时增强/长时抑制（LTP/LTD）突触特性。器件高稳定性来源于异质结对氧空位迁移路径的引导作用，氧空位可有序聚集，在 a-TiO₂/a-Ga₂O₃ 内部形成结构稳定的导电丝。该研究不仅为调控 Ga₂O₃ 基忆阻器性能提供高效优化方案，也为高性能人工神经网络计算系统的发展奠定基础。

        ①构建 a-TiO₂/a-Ga₂O₃ 双层异质结忆阻器，依靠界面内建电场限域氧空位，实现有序导电丝生长，解决单层 Ga₂O₃ 器件稳定性差、电压离散问题；

        ②异质结器件开关比提升 1 个数量级，保持寿命>10⁴ s，耐久循环超 500 次，Set/Reset电压标准差大幅降低，器件均匀性显著提升；

        ③完整复现短时可塑性（PPF）、长时增强/抑制（LTP/LTD）等全套生物突触行为，脉冲调控下电导连续线性可调；

        ④通过能带对齐、输运拟合证实界面势垒调控载流输运，阐明导电丝限域稳定化物理机理；

        ⑤基于该异质结器件搭建三层感知神经网络，手写数字 MNIST 识别准确率达 92.65%，具备实用神经形态计算潜力。

        综上，本文通过构筑 a-TiO₂/a-Ga₂O₃ 异质结构制备高稳定阻变忆阻器。实验结果表明，异质结器件具备优异综合性能：开关比提升一个数量级以上、数据保持性能超过 10⁴ s、耐久循环超 500 次，可实现多级电导调制与稳定长时增强/抑制突触特性。异质结性能提升的阻变机理来源于 TiO₂ 夹层诱导的独特空间电荷区，该区域可调控局域电子态，在 a-TiO₂/a-Ga₂O₃ 体系内限域形成结构稳定的导电丝。本文基于该异质结忆阻器搭建仿生人工神经网络，在手写数字 MNIST 识别任务中实现 92.65% 的高识别准确率。该异质结构筑策略可有效提升非晶 Ga₂O₃ 忆阻器阻变性能，推动其在存储与神经形态计算领域的应用。

        本研究得到陕西省教育厅重点科研项目（25JR033）、陕西省自然科学基金（2025JC-YBMS-001）、国家自然科学基金（11905119）、陕西省创新能力支撑计划（2024CX-GXPT-21）以及陕西省高校青年创新团队资助。