铁酸铋多铁忆阻器
BiFeO3(BFO)是罕见的室温多铁材料，但由于其存在Bi易挥发以及Fe价态不稳定导致漏电流较大与功耗较高等问题，限制了其在非易失存储领域的应用。而在Bi位引入离子半径相近的元素用于抑制Bi元素挥发以及在Fe位掺杂过渡金属元素用于稳定Fe离子价态可以有效提高BFO的阻变性能。此外，在BFO忆阻器件中使用合理的电极材料可以进一步调控器件的忆阻特性，丰富BFO的应用场景。
我们分别以SrRuO3(SRO)、TiN以及Nb掺杂的SrTiO3(NSTO)为底电极材料，制备掺杂型BFO忆阻器，探究衬底材料对BFO器件阻变机制及性能的影响。在SRO衬底上外延La掺杂的BFO(LBFO)具有O/R混相结构，展现出极低的操作电压和良好的数据保持力。Mn掺杂BFO(BFMO)薄膜与TiN底电极之间形成了TiOxNy储氧层，该类型的器件在Endurance测试中脉冲宽度低至20 ns,使得器件的功耗低至4.5×10-7 μJ。此外，对比以SRO为底电极的BFO忆阻器件，TiOxNy储氧层进一步改善了BFMO薄膜内部氧空位，导致BFMO/TiN器件的整体阻值更高，使得阵列线阻对忆阻器的影响更小。最后，设计BFMO/NSTO忆阻器结构，利用BFMO与NSTO较为接近的功函数，构建较小的肖特基势垒，制备了具有模拟型阻变特征的BFMO/NSTO忆阻器，该器件的具有良好的多值特性，在LTP/LTD以及非线性度方面表现良好，在STDP学习法则中，展现出高度的双边对称性，其时间常数低至~80 ns，较生物突触减小了约5个数量级。近两年来，已在Applied Physics Letters、IEEE Transactions on Electron Devices、Ceramics International等重要期刊发表论文4篇。
后续计划拟研制阻值渐变可控、一致性高的BiFeO3多铁忆阻器件并探索其在神经网络中的应用。探求衬底材料与BFO晶格应力失配、掺杂元素类型及浓度与BFO薄膜晶格结构、铁电极化强度、磁性与阻变特性的内在关系，从BFO薄膜的精细晶体结构出发，综合分析氧空位浓度分布、铁电畴结构与界面肖特基势垒等因素，阐释BFO器件阻态切换的机制；搭建神经元电路，在正、负电压激励下实现对称的积分、点火行为的模拟；表征BFO器件的记忆长时程增强/抑制、脉冲时序依赖可塑性等突触特性，设计基于 BFO 器件的突触-神经元整合方案，面向高精度图像识别任务，构建全忆阻脉冲神经网络。