柔性Cu/parylene-MoOx/ITO忆阻器在可穿戴神经形态应用中实现更高电阻切换可靠性的电化学本质

《Journal of Alloys and Compounds》：Electrochemical origins underlying enhanced resistive switching reliability in flexible Cu/parylene-MoO x/ITO memristors for wearable neuromorphic applications

　　

摘要

近年来，可穿戴电子产品的快速发展对可靠、紧凑、强大且符合人体工程学的计算系统提出了要求，这些系统能够持续监测健康参数并处理多种生理信号。在过去十年中，忆阻式神经形态系统在计算效率和高度集成方面取得了显著进展。目前，对忆阻器及其他附加功能的研究（包括将其集成到可穿戴电子设备中）尤其受到关注。柔性有机和混合忆阻器表现出类似生物的行为特性、良好的机械耐用性和低功耗，但它们会随时间逐渐退化。在这项工作中，我们开发了性能提升、变化小且长期稳定的柔性Cu/聚对苯撑二炔基钼氧化物（Cu/parylene-MoO?）/氧化铟锡（ITO）忆阻器。我们展示了这些忆阻器在弯曲半径低至0.5厘米时的主要特性，讨论了其改进忆阻行为的电化学机制，并基于仿真评估了它们在人类活动识别神经形态系统中的适用性。这项研究为可穿戴电子设备中的忆阻器应用铺平了道路。

引言

可穿戴电子设备正逐渐成为人们日常生活的一部分。由于这些设备靠近皮肤且使用频繁，因此它们应对外部刺激高度敏感、具有耐用性、柔韧性、安全性和紧凑性[1]。鉴于电源供应的限制，可穿戴电子设备还必须在能效方面表现出色[2]。这些苛刻的要求表明需要新的技术解决方案。忆阻器是开发可穿戴传感器及近传感器计算系统的有前途候选材料[3][4][5][6]。与传统的计算系统不同，后者需要分离的传感、计算和存储组件，并且数据传输耗时耗能，而忆阻系统可以在单个设备中紧凑地结合这些功能[7][8][9]。忆阻器的电阻可以通过外部电刺激和/或光刺激改变，并以非易失性的方式保持[10][11][12]。忆阻器的优点在于结构相对简单、易于控制其电阻状态，并且可以排列成交叉阵列结构以实现矩阵-向量乘法运算，这对传统系统来说是一个挑战[13]。近年来，忆阻器在众多神经形态[14]和传感-存储-计算[15]应用中展现了潜力。然而，大多数先进的忆阻器设备尚不能用于可穿戴电子设备。例如，相变忆阻器由于在柔性基底上的制备困难而不适合使用[16]。此外，沉积温度也限制了适用于可穿戴电子设备的材料范围。

在这方面，有机和混合材料是制造柔性忆阻器的理想候选材料，因为它们具有天然的机械柔韧性、简单的制备工艺和低成本[17,18]。许多有机忆阻器的一个主要缺点是对大气湿度和氧气暴露的反应，这会导致设备随时间可靠性下降[19,20]。含有聚对苯撑二炔基活性层的有机忆阻器经过了深入研究，表现出比其他有机忆阻器更高的性能和稳定性。聚对苯撑二炔基忆阻器已成功集成到多种神经形态计算系统中[21][22][23][24]。值得注意的是，聚对苯撑二炔基是一种经过美国食品药品监督管理局（FDA）批准的安全材料[25]。基于聚对苯撑二炔基的忆阻器的光敏性和应变敏感性增强了其在可穿戴电子设备中的潜力[26,27]。此外，聚对苯撑二炔基可以用作柔性基底和保护层，以实现均匀集成[28]。不过，聚对苯撑二炔基忆阻器的电阻状态切换有时具有随机性和突然性，这给控制带来了挑战。这个问题可以通过缺陷工程部分解决，例如在聚对苯撑二炔基层中加入势垒层或纳米颗粒[29,30]。最有前途的聚对苯撑二炔基忆阻器结构之一是在固态基底上的Cu/聚对苯撑二炔基-MoO?/氧化铟锡（Cu/parylene-MoO?/ITO）结构，这种结构表现出可靠的电阻切换（RS）特性和多种双模功能[24,31,32]。迄今为止，尚未研究这类改进忆阻器的柔韧性和在可穿戴技术中的适用性，以及纳米颗粒添加对其参数提升的物理机制尚不清楚。最近，研究人员展示了带有石墨烯势垒层的柔性Pt/G/聚对苯撑二炔基-C/Cu（Pt/G/parylene-C/Cu）器件，通过抑制寄生切换效应提高了耐用性[33]。然而，这些器件依赖于突然的纤维状切换，切换参数变化较大，并且需要相对较高的形成电压（约4-5伏特），这促使人们探索用于柔性神经形态应用的替代材料系统。因此，本研究旨在探讨机械弯曲变形对柔性基底上Cu/parylene-MoO?/ITO忆阻器主要RS参数的影响，即设定（U_set）和重置（U_reset）电压、最高（R_off）和最低（R_on）电阻及其比值、多级RS以及电阻保持能力。我们进一步确定了这些RS特性提升的机制，并对其在可穿戴健康监测相关神经形态任务中的适用性进行了初步评估。

章节片段

结构分析

横截面暗场透射电子显微镜（TEM）图像（图1a）显示，Cu顶电极、聚对苯撑二炔基钼氧化物复合层和ITO底电极之间有相对清晰连续的接口，没有观察到明显的间隙或分层现象，表明各层之间的粘附性良好。图1a还展示了选中进行深入成分分析的Cu/parylene-MoO?/ITO结构的两个区域。

结论

总之，我们制备并表征了柔性聚对苯撑二炔基MoO?忆阻器。弯曲测试证实了它们在极端弯曲条件下的切换能力。性能的提升归因于MoO?纳米颗粒上Cu离子的减少，从而显著改变了电阻切换机制。循环间和设备间的重复性、随时间的RS稳定性、塑性和非易失性 retention 特性使得这些忆阻器具有优良的性能。

忆阻器的制备

这些结构的制备遵循了之前报道的固态基底上聚对苯撑二炔基MoO?忆阻器的制备流程[43]。值得注意的是，先前研究的聚对苯撑二炔基MoO?忆阻器在使用Cu和ITO接触时也显示出最佳性能。商用购买的厚度为125微米的ITO涂层聚乙烯萘酯（PEN）基底被用作柔性底电极。接下来，通过化学气相沉积法制备了纳米复合聚对苯撑二炔基层。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了俄罗斯科学基金会的支持（项目编号24–19–00200负责表征和弯曲测试部分，项目编号25–72–00017负责揭示RS机制部分）。测量工作使用了“库尔恰托夫研究所”（NRC Kurchatov Institute）下属资源中心的设备。作者感谢A.A. Nesmelov和S.A. Zavyalov（NRC KI）在样品制备方面的帮助。

安娜·N·马苏卡托娃（Anna N. Matsukatova）|玛格丽塔·A·里亚博娃（Margarita A. Ryabova）|安德烈·V·埃梅利亚诺夫（Andrey V. Emelyanov）|安德烈·D·特罗菲莫夫（Andrey D. Trofimov）|蒂莫费·D·帕察耶夫（Timofey D. Patsaev）|弗拉基米尔·V·雷尔科夫（Vladimir V. Rylkov）

“库尔恰托夫研究所”（National Research Center “Kurchatov Institute”），莫斯科，123182，俄罗斯