通过灰度热探针光刻技术实现的几何调制的双模忆阻器

《Microelectronic Engineering》：Geometry modulated dual-mode memristor via grayscale thermal probe lithography

　　

Zishun Li|KangHao Xie|Jiaqi Wang|Li Wang|Junlu Gong|Xiaorui Zheng

中国上海200433，复旦大学信息科学与技术学院

摘要

传统的忆阻器器件主要依靠外部电流调控或材料工程手段在易失性模式与非易失性模式之间切换，这会导致电路结构更为复杂。在此，我们提出一种基于几何结构的策略，无需外部电流调控即可内在地调节电阻切换行为。通过灰度热探针光刻技术，我们在丝素蛋白介质层上制备了深度可控的3D纳米锥形银电极，并构建了具有明确几何结构的金/丝素蛋白/银基忆阻器。在相同的恒定电流条件下，从浅纳米锥到深纳米锥的纯几何结构变化能够实现从易失性阈值切换到非易失性双极忆阻器行为的确定性转变。我们还对电场进行了仿真分析，并研究了其背后的机制。电气测试表明，这两种类型的器件都具备稳定的切换特性，同时还展现出典型的类神经功能，包括成对脉冲增强效应和长时程增强/抑制效应。此外，所提出的1S1R架构在大型阵列（N = 512）中提升了地址定位性能，静态功耗降低了约100倍，为在单芯片上实现高效且异构的类神经集成提供了可能路径。

引言

类神经计算系统本质上依赖于对生物神经网络中两种互补功能的模拟：突触中的非易失性权重存储以及神经元中的易失性瞬态信号处理。要在统一的硬件平台上实现这两种功能，对于开发高效的片上计算芯片至关重要[1]、[2]、[3]。在以往的研究中，忆阻器的切换模式主要是通过电流顺应性[I_cc] [4]、[5]或材料工程[6]、[7]来控制的。其中，通过调节电流顺应性[I_cc]来实现易失性模式与非易失性模式之间的切换，要么需要复杂的电路来实现空间电流控制，要么需要多个制造步骤来形成结构不同的器件[8]、[9]。而材料工程方法则需要多次制备不同的介质材料和电极，这在器件制造复杂性以及多工艺之间的兼容性方面存在诸多挑战[10]、[11]。这两种策略都会在电路复杂性、制造成本以及器件间差异性方面带来较大问题。因此，迫切需要一种基于忆阻器的新型电路设计策略，使得易失性器件与非易失性器件的功能能够在同一材料体系及兼容的制造工艺下，在统一的电驱动条件下实现整合。

为此，我们提出了一种新的基于几何结构的策略，用于在同一材料体系中调节电阻切换行为。具体而言，我们利用灰度热探针光刻技术，在丝素蛋白平台上制备了深度可控的3D纳米锥结构[12]。该技术能够实现对丝素蛋白层及其在金/丝素蛋白/银忆阻器中形成的电极结构的3D形态的精确控制，从而调节器件内的局部电场分布以及导电细丝的生长动态。在电气测试中，我们发现，在相同的I_cc条件下，电极结构的纯几何变化就能实现从阈值切换（浅纳米锥）到非易失性切换（深纳米锥）的转变。这种由几何结构引发的调节作用，使得类神经元（阈值型）功能和类突触（非易失性）功能能够在同一材料体系中共存。此外，通过整合不同纳米锥深度的金/丝素蛋白/银忆阻器，我们可以轻松构建出1S1R（一个选择器一个忆阻器）架构，为类神经功能的单片集成以及电路结构和制造流程的简化提供了可能路径。

章节节选

结构设计与制备

图1a示意性地展示了由电极几何结构调控的双模忆阻器。该器件采用传统的金属-绝缘体-金属（金/丝素蛋白/银）架构，但其独特之处在于丝素蛋白介质层以及顶部银电极的3D形态设计。这种结构调控是通过热扫描探针光刻技术实现的，该技术是原子力显微镜的一种衍生技术，它结合了带加热功能的纳米级探针以及精确的电流控制功能

结论

总之，我们提出了一种基于几何结构的策略，能够在同一材料平台内在地调节电阻切换行为。通过利用热扫描探针光刻技术制备深度可控的3D纳米锥形电极，我们实现了在相同电流顺应性和材料体系下的易失性阈值切换与非易失性忆阻器行为，从而无需复杂的额外电路。机制分析表明，更深的纳米锥结构能够产生更强的

丝素蛋白溶液的制备

丝素蛋白溶液是通过常规的脱胶-溶解工艺制备的。首先，将16.8克碳酸钠溶解在8.0升去离子水中并加热至沸腾。随后加入20.0克切碎的蚕茧，在持续搅拌的情况下煮沸30分钟，以去除丝胶。剩余的不溶性丝素蛋白则用流动水彻底冲洗，再使用去离子水清洗三次。经过过夜干燥后，即可获得纯净的丝素蛋白纤维。

利益冲突声明

无。

致谢

作者们感谢中国国家重点研发计划（编号：2023YFB4603603）以及中国国家自然科学基金（编号：82227808、62104200）提供的资金支持。同时，我们也感谢西湖大学西湖微纳制造中心以及分子科学仪器与服务中心在设施支持和技术协助方面的帮助。