在亚5纳米空间中受限并带有元素氧储层的高速节能忆阻器

面向未来电子设备的更聪明、更快速的存储

如今的计算机在内存与处理器之间频繁传输数据，消耗大量能量。工程师希望能打造既能存储又能处理信息的小型器件，更类似于大脑的工作方式，同时尽量减少能耗。本文报道了一种新型超薄电子存储元件——忆阻器，它切换速度极快、能耗极低，可作为类脑计算系统的构件。

这种新型存储器的不同之处

传统忆阻器常依赖氧化物层内微小缺陷的随机运动，这会导致行为不可预测并使器件早期失效。作者通过构筑仅几纳米厚的超薄材料堆栈来解决这一问题。器件的核心是厚度为4.5纳米的氧化铪层，作为开关区。在其下方，他们加入了一层厚度为3.5纳米的“元素氧储层”，该储层夹在两片原子级超平整的二维材料（HfS₂与MoS₂）之间，顶底为金电极。关键在于这些原子级平滑的界面使电场均匀，并严格约束活性缺陷的移动位置。

微薄层的构建与表征方法

为制造该器件，研究者先剥离薄片状MoS₂并将其置于已预制的金电极上，然后在其上叠放HfS₂薄片形成层状结。通过受控臭氧处理，部分HfS₂会温和转化为氧化铪而不会使表面粗糙，从而形成氧化铪—残留HfS₂—更多氧化铪的三明治结构。在MoS₂界面处，氧聚集形成特殊的储层。研究团队利用原子力显微镜、拉曼光谱和先进电子显微学等工具，表明所得层极为平整，富氧储层在界面上被良好约束。化学分析显示出可方便得失电子的氧相关物种，证实该区域可作为氧交换的柔性缓冲区。

切换快速、稳定且漏电极低

电学测试表明，该忆阻器能在广泛工作条件下可靠地在高阻“关”态与低阻“开”态之间切换。由于氧储层作为抑制不期望漏电通路的屏障，关态电流极其微小，而开/关电流比非常大。器件可在仅数十亿分之一秒内完成切换——开态约8纳秒，关态约15纳秒——并且在至少十万次切换循环中无明显退化。即使在升温条件下，它也能保持至少十万秒的态稳定性。这些结果表明，氧相关缺陷在狭窄开关层内的运动被良好控制，导致器件间行为一致。

器件内部的工作机理

在氧化铪层内部，缺失的氧原子充当可移动的电荷载体。当施加正电压时，这些空位漂移并连通形成细而可导电的通道，使器件导通。反向电压则从储层中拉入氧到该通道，修复并断开连接，使器件关断。由于活性区被平滑、低缺陷的边界所限制，导电通道以受控方式形成与溶解，而非不可预测地游走。不同温度下的电流-电压测量显示，简单的通道导电与绝缘区的空-电荷效应都对整体行为有贡献，但精心设计的堆栈使这些过程高度可重复。

迈向类脑、低功耗计算

除了作为简单开关，该器件还能在定制电压脉冲下逐步改变电导，类似于生物突触在重复活动后变强或变弱。作者利用这些测得的响应来模拟识别手写数字的神经网络。在这些测试中，基于他们忆阻器特性的网络在标准数据集上达到约97％的准确率，接近理想化元件的表现。简而言之，这项工作表明，通过在原子级平滑的超薄堆栈中严格约束氧的运动，可以构建快速、节能、高可靠性的存储元件，非常适合未来低功耗的“内存内”与类脑计算架构。

引用: Li, C., Niu, W., Wan, D. et al. High-speed energy-efficient memristor confined in sub-5 nm space with elemental oxygen reservoir layer. Nat Commun 17, 4117 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70806-4

关键词: 忆阻器, 类脑计算, 氧化铪, 二维材料, 低功耗电子学