印刷锌锡氧化物忆阻器在储备池计算中的创新应用

这篇研究报道了采用喷墨印刷技术制备全图案化锌锡氧化物（ZTO）忆阻器的突破性进展。通过溶液法工艺实现了高稳定性、低变异性的器件性能，以ZTO为活性层、银（Ag）为上电极、钼（Mo）为下电极的架构满足了物理储备池计算（PRC）的非线性与渐消记忆特性需求。该器件在MNIST手写数据集分类任务中取得89.4%（4比特时序）和86.5%（5比特时序）的准确率，为可穿戴AI系统提供了低功耗硬件解决方案。

　　

2 结果与讨论

2.1 ZTO前驱体溶液特性

通过热重-差示扫描量热法（TG-DSC）分析显示，以2-甲氧基乙醇（2-ME）为溶剂的ZTO前驱体溶液在143°C出现放热峰，伴随50%质量损失，证实了低温溶胶-凝胶合成路径。添加5%乙二醇（EG）提升粘度后，墨水粘度达3.34±0.22 cP，逆Ohnesorge数Z=9.64，满足喷墨打印要求。

2.2 ZTO薄膜与器件形貌

1270 dpi打印的ZTO薄膜展现出最佳均匀性，XPS分析显示O 1s谱中531.1 eV（M-O-M晶格氧）和532.6 eV（M-OH非晶格氧）峰证实氧空位存在，这对忆阻器的阻变特性至关重要。器件采用全印刷工艺制备，300×300 μm²面积器件成品率达83%，表面粗糙度低于溶液法典型值。

2.3 全图案化ZTO忆阻器电学特性

器件呈现双极阻变行为：正电压下0.8 V突现SET过程，负电压下-0.5 V渐变RESET。300×300 μm²器件在100次循环中保持稳定，ON/OFF比达10²。保留测试揭示其挥发特性，10⁴秒内从非易失态衰减至OFF态，这种短时记忆特性源于银离子迁移形成的导电细丝自发溶解。

2.4 物理储备池计算特性

配对脉冲促进（PPF）测试显示0.17 μs的暂态记忆窗口，符合时序信号处理需求。通过调节脉冲幅度（0.4 V）和宽度（100-250 ns），证实器件具备输入序列分离能力。4比特时序编程的周期间变异系数低于5%，为硬件PRC系统提供可靠基础。

2.5 MNIST手写数据集验证

将28×28像素图像分解为196组4比特时序，通过线性分类器实现89.4%准确率。扩展至5比特序列后，准确率仅下降2.9%，但训练参数量减少28%，显著提升能效。典型错误集中在"5"与"3"、"8"与"5"的形态相似性误判。

3 结论

该工作首次实现全印刷ZTO忆阻器在PRC中的应用，83%的器件良率为可扩展生产奠定基础。4/5比特时序编程策略在保持>86%准确率的同时优化了系统能效，为可穿戴神经形态芯片开发提供新范式。

4 实验方法

采用射频溅射制备Mo下电极（60 nm），经SF₆反应离子刻蚀图案化。ZTO活性层经UV臭氧处理提升附着力后，用Dimatix DMP-2850打印机在250°C退火成型。Ag上电极采用XTPL纳米墨水打印，最终器件通过Keithley 4200 SCS半导体分析仪完成电学表征。

这项研究通过材料创新与工艺优化，将印刷电子技术与神经形态计算深度融合，为可持续电子器件开发开辟了新路径。