作者:Forschungszentrum Juelich 医生
伊利亚·瓦洛夫(左前)在福尔松赞特勒姆的氧化物星团中，在那里进行了当前工作的实验
背景:迈克尔·吕本(中)和教授
赖纳·瓦瑟(右)荣誉:亚琛工业大学/彼得·温安迪 世界各地的科学家都在集中研究记忆装置，这种装置消耗极低的能量，其行为类似于大脑中的神经元
来自亚琛研究联盟(JARA)和德国技术集团Heraeus的研究人员现在报道了对这些元素功能行为的系统控制
材料成分中最小的差异被证明是至关重要的，如此之小以至于直到现在，专家们都没有注意到它们
研究人员的设计方向可以帮助提高基于忆阻技术的应用的多样性、效率、选择性和可靠性，例如节能、非易失性存储设备或神经启发的计算机
日本NEC公司早在2017年就在太空卫星上安装了第一个记忆电阻原型
惠普、英特尔、IBM和三星等许多其他领先公司正在努力将基于记忆元素的创新型计算机和存储设备推向市场
从根本上来说，忆阻器只是“带记忆的电阻”，其中高电阻可以切换到低电阻，然后再切换回来
这意味着原则上这些装置是适应性的，类似于生物神经系统中的突触
“忆阻元素被认为是模仿大脑的神经启发计算机的理想候选物，这在深度学习和人工智能方面引起了极大的兴趣，”博士说
弗松赞特鲁姆·尤里克的彼得·格伦伯格研究所的伊利亚·瓦洛夫
在最新一期的开放存取期刊《科学进展》中，他和他的团队描述了记忆元件的开关和神经形态行为是如何被选择性控制的
根据他们的发现，关键因素是开关氧化层的纯度
“取决于你是否使用99
999999 %的纯度，无论你将一个外来原子引入到1000万个纯物质原子中，还是引入到100个原子中，记忆元素的性质都有很大的不同，”瓦洛夫说
到目前为止，这种影响被专家们忽视了
它可以非常具体地用于设计忆阻系统，就像在信息技术中掺杂半导体一样
“外来原子的引入使我们能够控制薄氧化层的溶解度和传输特性，”博士解释说
赫拉俄斯科技集团的克里斯蒂安·纽曼
自从最初的想法在2015年提出以来，他一直在为这个项目贡献他的材料专业知识
“近年来，忆阻器件的开发和使用取得了显著的进步，然而这种进步往往是在纯粹的经验基础上取得的，”瓦洛夫说
利用他的团队获得的洞察力，制造商现在可以有条不紊地开发记忆元件，选择他们需要的功能
掺杂浓度越高，随着输入电压脉冲数量的增加和减少，元件的电阻变化越慢，并且电阻保持越稳定
“这意味着我们已经找到了设计不同兴奋性的人工突触的方法，”瓦洛夫说
突触是神经元之间的连接，当它们被快速连续的电脉冲激发时，有能力以不同的强度传输信号
这种重复活动的一个效果是增加钙离子的浓度，结果释放出更多的神经递质
根据活动的不同，其他影响会导致长期的结构变化，这种变化会影响几个小时的传播强度，甚至可能影响人的余生
忆阻元件允许通过施加电压，以类似于突触连接的方式改变电传输的强度
在电化学金属化电池(ECMs)中，在两个金属电极之间形成金属丝，从而增加导电性
施加极性相反的电压脉冲会导致灯丝再次收缩，直到电池达到其初始高电阻状态
信用:Forschungszentrum jülich/Tobias Schloseser 人工突触设计规范 大脑学习和保留信息的能力在很大程度上可以归因于这样一个事实，即当神经元被频繁使用时，它们之间的联系得到了加强
忆阻器件有不同的类型，如电化学金属化单元或变价存储单元，它们的行为类似
当使用这些元件时，电导率随着输入电压脉冲数量的增加而增加
也可以通过施加相反极性的电压脉冲来逆转这些变化
JARA的研究人员对心电图进行了系统的实验，心电图由一个铜电极、一个铂电极和它们之间的一层二氧化硅组成
由于与赫拉俄斯研究人员的合作，JARA的科学家们获得了不同类型的二氧化硅:一种纯度为99
999999%(也称为8N二氧化硅)和其他含有100到10，000 ppm(百万分之一)外来原子的物质
在他们的实验中使用的精确掺杂玻璃是由石英玻璃专家赫拉俄斯·康那米克专门开发和制造的，他也拥有该程序的专利
铜和质子充当移动掺杂剂，而铝和镓用作非挥发性掺杂剂
记录切换时间证实了理论 基于他们的一系列实验，研究人员能够表明，随着掺杂原子数量的变化，电解加工的开关时间也在变化
如果开关层由8N二氧化硅制成，则忆阻元件仅在1
4纳秒
迄今为止，心电图测量的最快值大约是10纳秒
通过用高达10，000 ppm的外来原子掺杂部件的氧化层，开关时间被延长到毫秒范围内
“我们也可以从理论上解释我们的结果
这有助于我们理解纳米尺度的物理化学过程，并将这些知识应用于实践，”瓦洛夫说
基于普遍适用的理论考虑和实验结果的支持，他确信掺杂/杂质效应会发生，并可用于所有类型的忆阻元件
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