基于MoS2的忆阻器中模拟与数字技术的共存：用于存储和突触功能实现

《Materials Today Physics》：Coexistence of Analog and Digital in MoS 2-Based Memristor for Memory and Synaptic Performance

基于Cu/MoS?/ITO忆阻器的数字-模拟混合模式调控及多级存储验证

　　

雷晓毅|田鹏生|杨成浩|王静|薛家豪|梁晓珍|赵武

西北大学电子信息学院，中国西安710127

摘要

忆阻器是高密度数字数据存储和模拟神经形态计算领域的一个重要候选材料。然而，不同的应用场景对器件特性有不同的要求。在这项研究中，我们报道了Cu/MoS₂/ITO忆阻器在各种形成刺激下的数字-模拟转换电阻开关行为。通过电性能分析和温度依赖性测量，研究了器件中数字模式和模拟模式可控制共存的机制。Cu金属丝和硫空位的协同调控决定了数字模式的电阻开关行为；而模拟模式则表现出类似易失性半导体的导电特性，主要由MoS₂/ITO界面的肖特基势垒变化主导。此外，基于该器件的数字开关特性，我们通过调整顺应电流实现了五种稳定的多级电阻状态，从而验证了其在数字模式下的多级存储能力。同时，利用Cu/MoS₂/ITO器件的模拟开关特性，我们探索了其在光突触和电突触以及神经网络计算中的潜在应用，证实了基于MoS₂的忆阻器在内存计算架构和突触模拟领域的广阔前景。

章节摘录

引言

随着神经形态计算技术的快速发展，传统冯·诺依曼架构在数据处理效率和能耗方面的局限性日益明显[1]、[2]、[3]。由于其非易失性存储特性、低功耗和高集成密度，忆阻器已成为克服传统计算瓶颈的关键技术[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。独特的能带结构和高载流子迁移率是忆阻器的优势所在。

结果与讨论

图1a展示了通过磁控溅射制备的Cu/MoS₂/ITO器件结构。图1a的插图显示了该器件的光学照片，其直径为1毫米。器件由Cu顶电极、MoS₂电阻开关层和ITO涂层的玻璃底电极组成。更多细节见实验部分。图1b显示MoS₂层的厚度约为486纳米。通过分析原子力显微镜（AFM）的结果（图1c），

结论

本研究介绍了Cu/MoS₂/ITO电阻存储器的设计与研究，揭示了其数字-模拟共存调制机制及潜在应用。实验结果表明，形成电压的极性决定了器件在数字模式和模拟模式之间的转换：正形成电压诱导非易失性的双极数字电阻开关，而负形成电压则实现易失性的模拟电阻开关。

实验部分

MoS₂基器件的制备：采用高频磁控溅射（RF磁控溅射）在高纯度MoS₂靶材（99.99%）上沉积MoS₂薄膜。为了获得能够展现数字/模拟共存特性的更薄MoS₂薄膜，设置了以下RF溅射参数：基板温度300°C、工作压力2.0 Pa、氩气流量30 sccm、RF功率300 W以及沉积时间20分钟。顶部Cu电极的制备...

CRediT作者贡献声明

赵武：指导。 梁晓珍：方法论、形式分析。 薛家豪：方法论、形式分析。 田鹏生：撰写——初稿、方法论、形式分析、概念构思。 雷晓毅：撰写——审稿与编辑、资金获取。 王静：研究、数据管理、概念构思。 杨成浩：撰写——审稿与编辑、研究

数据可用性声明

本研究的数据可向相应作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：雷晓毅报告称其研究得到了国家自然科学基金的支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（授权号：61701402）的支持。