综述：用于挥发性阈值电阻开关和神经元器件应用的相变材料

本综述系统回顾了三种典型相变材料（VO2、1T-TaS2和BaTiS3）的电子结构相变特性及其在神经形态计算中的应用。文章从材料合成、器件制备、输运特性到自持振荡及神经元电路集成展开深入探讨，重点分析了挥发性阈值开关（Volatile Threshold Switching）机制和热驱动（Joule Heating）效应，为开发高能效、高复杂度的后CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）硬件提供了重要参考。

　　

引言：后CMOS时代的新机遇

随着摩尔定律逐渐放缓以及人工智能应用对计算能力需求的不断增长，开发新型“后互补金属氧化物半导体（CMOS）”硬件已成为迫切需求。神经形态计算通过模拟人脑的突触和神经元结构，展现出极低的功耗和内在学习能力。早期尝试使用传统CMOS电路和金属氧化物忆阻器来模拟神经元和突触行为，但由于能效低和系统复杂性有限，这些系统仍远未实现真正的类脑操作。

相变材料：从机制到候选体系

相变材料，特别是那些经历“金属-绝缘体转变”（MIT）的材料，具有快速、低场挥发性开关、可调性和随机动力学等独特属性。这些特性对于模拟神经元行为和解决复杂计算问题尤其具有前景。本综述重点关注三种代表性材料：广泛研究的关联氧化物VO₂、电荷密度波（CDW）过渡金属二硫化物1T-TaS₂以及新兴的相变复合硫族化物BaTiS₃。这些材料在技术成熟度上处于不同水平：VO₂经过60多年研究已接近技术就绪状态；1T-TaS₂在过去10-15年间在实验室层面被广泛研究；而BaTiS₃作为新开发的相变材料，技术成熟度最低。

电子与结构相变的协同效应

这些相变材料的电子相变通常与结构相变同时发生。在关联氧化物VO₂中，单斜相到四方相的结构转变伴随着电阻率的显著变化。在低维CDW硫族化物如1T-TaS₂和BaTiS₃中，周期性晶格畸变（如1T-TaS₂的大卫星结构转变和BaTiS₃的面内晶胞倍增）与电学性质的突变同时发生。

材料合成：从单晶到薄膜

高质量单晶通常用于早期研究以探索本征物理性质和原型器件演示，而大面积、高质量薄膜生长对于实现实际电子器件应用至关重要。VO₂的合成方法最为成熟，包括反应磁控溅射和脉冲激光沉积（PLD）等；1T-TaS₂单晶通常通过化学气相传输（CVT）技术获得；BaTiS₃的单晶生长则采用气相传输或熔融助熔剂方法。每种方法的工艺条件显著影响材料的传输特性。

器件制备与集成挑战

VO₂的器件制备工艺最为成熟，可采用标准光刻、刻蚀和金属沉积技术。1T-TaS₂的器件通常基于机械剥离的薄片，需要六方氮化硼（hBN）封装以防止氧化。BaTiS₃由于尺寸较小，需采用聚合物平坦化技术来实现多端电极制备。垂直器件结构可显著减小通道尺寸，提高振荡频率，但电极材料的选择对界面质量和器件性能有重要影响。

输运特性与开关机制

温度依赖的电输运测量是表征相变材料的重要手段。VO₂在340 K附近表现出高达五个数量级的电阻变化，载流子浓度是转变的主要因素；1T-TaS₂在350 K和200 K附近有两个明显的电阻跃变，载流子类型和浓度在转变点发生显著变化；BaTiS₃在250 K附近发生半导体-CDW转变，电阻变化约2-3倍，其主要由迁移率变化驱动。

电驱动挥发性阈值开关

通过施加电压或电流，可以在相变材料中电诱导相邻相之间的切换。VO₂和1T-TaS₂的开关主要基于焦耳热效应，而BaTiS₃的开关也显示出热驱动特征。脉冲I-V测量可有效区分热和电场贡献，短脉冲宽度（如1 ms）可减少热效应，从而消除滞后现象。

自持电压振荡与神经元器件应用

利用挥发性电阻开关特性，可以构建自持振荡电路。VO₂振荡器频率已达9 MHz，1T-TaS₂为2 MHz，而BaTiS₃目前最高为0.9 kHz。这些振荡器可用于模拟生物神经元的确定性