在喷涂的钛酸钡薄膜中实现节能型电阻式开关控制，并结合基于LSTM的预测技术用于存储应用

《Materials Today Energy》：Energy Efficient Resistive Switching in Sprayed Barium Titanate Thin Films With LSTM-based Forecasting for Memory Application

本研究采用化学气相沉积法制备多晶钡钛酸（BT）薄膜，成功实现了无需电形成步骤的双极电阻开关（BRS）行为。通过XRD、FESEM、TEM和XPS综合表征，BT-V40薄膜在Ag/BT/FTO器件中表现出稳定的模拟BRS特性，具有窄循环间变异系数（<10%）、低功耗及长循环（103次）和保持时间（103秒）。电荷-通量曲线呈现双值特性，证实其非理想忆阻机制。研究为Pb-free无机材料在下一代非易失存储器中的应用奠定基础。

　　这项研究聚焦于一种新型的电阻开关器件，其基于多晶氧化钡钛（BaTiO?，简称BT）薄膜，采用化学喷雾热解技术（Chemical Spray Pyrolysis, CSP）进行制备。研究团队通过一系列结构、形貌和化学表征手段，对BT薄膜的特性进行了深入分析，并进一步评估了其在非易失性记忆存储设备中的应用潜力。研究的核心在于揭示一种无需电形成（electroforming）步骤的双极型电阻开关（Bipolar Resistive Switching, BRS）行为，这在提高器件性能和降低制造复杂性方面具有重要意义。

随着信息技术的快速发展，数据的产生和处理需求呈指数级增长，这促使了对更高效、更可靠的信息存储和处理技术的需求。传统计算机系统在处理多任务并行操作时，常常受到冯·诺依曼瓶颈和摩尔定律限制的制约，导致数据传输和处理效率低下。为了解决这些问题，研究人员开始关注一种新型的记忆存储技术——基于忆阻效应的设备。忆阻效应是一种能够同时实现数据存储与处理的特性，它不仅能够有效克服“记忆墙”问题，还能够显著降低设备的功耗，因此被认为是未来电子技术发展的重要方向之一。

电阻随机存取存储器（Resistive Random-Access Memory, RRAM）作为一种典型的忆阻型存储设备，因其低功耗、高耐用性和宽存储窗口等优点而受到广泛关注。RRAM可以用于数据存储、神经计算和类脑计算等应用，这使其成为物联网（Internet of Things, IoT）和人工智能（Artificial Intelligence, AI）等前沿技术的重要组成部分。然而，传统的RRAM器件通常需要一个初始的高电压电形成步骤，以促使离子迁移并形成导电丝。这个过程不仅耗能高，还可能对器件造成永久性损伤，增加器件之间的性能差异，并降低整体的可靠性。

本研究的创新点在于，所制备的Ag/BT/FTO忆阻器件能够在正常工作电压下实现双极型电阻开关行为，而无需额外的电形成步骤。这一特性使得器件在运行过程中更加节能和稳定，从而具备了应用于实际非易失性存储设备的潜力。研究团队通过化学喷雾热解技术制备了不同喷雾溶液量的BT薄膜，并对其进行了系统的结构和形貌分析。结果显示，最佳的沉积温度为325°C，此时薄膜具有较高的结晶度和均匀的晶粒分布，从而实现了稳定的电阻开关特性。

为了进一步验证BT薄膜的电阻开关性能，研究团队采用了一系列实验方法，包括电流-电压（I–V）特性测试、高斯分布分析、累积概率分布、韦布尔分布、电荷-通量（q–φ）关系分析，以及基于长短期记忆（Long Short-Term Memory, LSTM）网络的时间序列建模。这些方法不仅有助于理解器件的工作机制，还能够评估其在实际应用中的可靠性。研究发现，BT-V??器件在这些测试中表现出优异的性能，包括稳定的设定和重置电压、较小的周期间波动（超过10%）、低功耗和良好的耐久性（可实现103次循环）与保持性（可保持103秒）。

电荷-通量关系图（q–φ图）是评估忆阻器件性能的重要工具之一。该图通常呈现出双值特性，表明在电阻切换过程中，电流的变化不仅依赖于电压，还受到电荷积累的影响。这种双值行为是忆阻系统非理想性的标志，意味着器件的电阻状态不仅由电压决定，还可能受到电荷分布和迁移路径的影响。研究团队通过分析q–φ图，进一步确认了BT薄膜在电阻切换过程中的非理想特性，并探讨了其背后可能的物理机制。

从材料特性来看，BT是一种具有典型钙钛矿结构的氧化物材料，其独特的物理性质使其在多种应用中展现出巨大的潜力。BT的高介电常数和优异的光学及铁电性能，使其成为太阳能电池、电容器和铁电器件等领域的理想材料。此外，BT还具有良好的光响应特性，这使其在光电子器件和光电存储设备中具有应用前景。值得注意的是，BT是一种不含铅的无机材料，因此其制备过程更加环保，且未来有望实现与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）工艺的兼容性，从而推动其在集成电路领域的应用。

本研究的成果表明，基于BT薄膜的忆阻器件在非易失性存储方面具有显著优势。通过化学喷雾热解技术制备的BT薄膜在结构和形貌上表现出高度的均匀性和稳定性，这为实现高性能的忆阻存储设备奠定了基础。此外，研究团队还发现，Ag电极在正常工作电压下能够提供Ag?离子，从而在电阻切换过程中形成和断裂导电丝，这一过程无需额外的电形成步骤，大大简化了器件的制造流程，并提高了其在实际应用中的可靠性。

从技术角度来看，本研究为未来非易失性存储技术的发展提供了新的思路和方向。传统的存储技术通常依赖于复杂的制造工艺和高功耗的操作模式，而基于BT薄膜的忆阻器件则具有更简单的结构和更低的能耗。这种简化不仅降低了生产成本，还提高了器件的集成度，使其在大规模数据存储和处理方面具有更强的竞争力。此外，BT薄膜的优异性能还为实现多级数据存储提供了可能，这对于提升存储密度和存储效率具有重要意义。

在实际应用方面，忆阻器件的潜力不仅限于传统的存储设备，还可能拓展到神经形态计算、人工智能芯片和生物启发计算等领域。这些领域对低功耗、高密度和高可靠性的存储技术有着迫切的需求，而基于BT薄膜的忆阻器件正好满足这些要求。此外，BT薄膜的光响应特性还使其在光电子存储和光电传感等新兴技术中具有应用价值，这为跨学科研究提供了新的可能性。

本研究的另一个重要贡献在于对忆阻器件工作机制的深入探讨。通过分析电流-电压特性、电荷-通量关系以及时间序列模型，研究团队揭示了BT薄膜在电阻切换过程中可能的物理机制。这些机制包括氧空位的迁移、Ag?离子的注入和导电丝的形成与断裂等。这些发现不仅有助于优化器件的设计和制造工艺，还为理解忆阻效应的物理本质提供了新的视角。

此外，研究团队还强调了在忆阻器件研究中，多学科交叉的重要性。通过结合材料科学、电子工程和人工智能技术，研究人员能够更全面地评估器件的性能，并探索其在不同应用场景中的潜力。例如，LSTM网络的应用使得研究人员能够对器件的长期行为进行预测和分析，这对于设计高可靠性的存储设备至关重要。

在实验方法上，本研究采用了多种先进的表征技术，包括X射线衍射（XRD）、瑞利特精修（Rietveld refinement）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）。这些技术能够从不同角度揭示BT薄膜的结构、形貌和化学组成，从而为理解其电阻开关行为提供坚实的理论基础。例如，XRD分析表明，所有沉积的BT薄膜都具有立方钙钛矿结构，且空间群为Fm-3m，这说明薄膜在结构上具有高度的有序性。而FESEM和TEM图像则展示了薄膜的微观形貌，揭示了其均匀的晶粒分布和良好的表面质量。

XPS分析进一步验证了BT薄膜的化学组成和表面状态。通过检测不同元素的结合能，研究人员能够确定薄膜中是否存在氧空位或其他可能影响电阻开关行为的缺陷。这些化学缺陷的存在与否，直接关系到器件的性能表现，因此对它们的深入研究对于优化器件设计具有重要意义。

在数据处理方面，研究团队采用了统计分析和机器学习方法，以更全面地评估器件的性能。例如，通过分析设定和重置电压的高斯分布，研究人员能够判断器件在不同工作条件下的稳定性。而韦布尔分布则用于评估器件的耐久性和可靠性，为器件在实际应用中的寿命预测提供了依据。此外，时间序列建模方法的应用，使得研究人员能够模拟器件的长期行为，并探索其在复杂数据存储任务中的适用性。

从实际应用的角度来看，本研究的成果具有重要的现实意义。随着物联网和人工智能技术的快速发展，对高效、低功耗和高密度的存储设备的需求日益增长。基于BT薄膜的忆阻器件不仅能够满足这些需求，还可能为下一代存储技术的发展提供新的解决方案。此外，由于BT薄膜的制备过程相对简单且环保，它在大规模生产中也具有一定的可行性。

总的来说，本研究通过系统性的材料制备和性能评估，展示了基于BT薄膜的忆阻器件在非易失性存储领域的巨大潜力。研究团队不仅揭示了BT薄膜在电阻切换过程中的独特行为，还探索了其在不同应用场景中的可能性。这些发现为未来电子技术的发展提供了新的方向，并为相关领域的进一步研究奠定了坚实的基础。