原子尺度揭秘MoS2忆阻器中缺陷诱导的电阻机制及其在神经形态计算中的意义

本综述通过第一性原理计算系统阐释了二维MoS2忆阻器（Memristor）中硫空位缺陷与非易失性阻变开关（Resistive Switching）的原子级关联机制，揭示了金属原子在缺陷位点形成半丝状导电通道（Semi-filamentary Conductive Paths）的动态过程，为下一代低功耗神经形态计算（Neuromorphic Computing）器件设计提供了理论依据。

　　

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Calculation methods

所有结构优化与能量计算均基于密度泛函理论（DFT），采用维也纳第一性原理模拟软件包（VASP）完成。离子-电子相互作用通过投影缀加波（PAW）赝势处理，交换-关联相互作用在广义梯度近似（GGA）框架下使用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函处理。所有结构优化均应用DFT-D3校正。

Results and discussion

在探究缺陷是否构成非易失性导电通道形成的前提时，我们首先研究了MoS₂中缺陷的类型，包括单硫空位（V_s）、双硫空位（V_s2）、钼空位（V_Mo）以及缺失一个钼原子及其周围三个硫原子的空位（V_MoS3）。为评估各类缺陷的形成难度，我们通过公式计算了MoS₂的缺陷形成能（E_f）：

E_f = E_def - E_tot - Σn_iμ_i

其中μ_Mo + 2 × μ_S = μ_MoS2

Conclustions

本研究通过第一性原理计算与量子传输模拟，系统揭示了单层MoS₂原子忆阻器（Atomristor）的阻变机制。结果表明：无金属原子吸附的单层MoS₂仍保持绝缘特性，而金属原子在缺陷位点吸附后，器件将从高阻态（HRS）切换至低阻态（LRS）。金属原子难以通过单层MoS₂形成完全桥接的导电通路，但在硫空位辅助下可形成半丝状导电路径。