忆阻器综述
忆阻器诺贝尔物理学奖
忆阻器诺贝尔物理学奖忆阻器是一种新型电子器件，是在电阻器的基础上设计的。
和电阻器一样，忆阻器也是一种电阻性电子器件，但具有非常强的存储性能。
忆阻器使用了一种名为“电阻变化存储效应”的物理现象，这种物理现象是在一些特殊材料中发现的。
2010年，由于对于这一科学技术的开拓和创新，三位物理学家汉斯·戴恩茨、阿尔伯特·弗尔基和手塚治具有卓越的贡献，并因此共同获得了诺贝尔物理学奖。
忆阻器是一种可以记住之前状态并且将其保留下来的电子器件。
当电流通过忆阻器时，它的电阻值会发生变化。
同时它会保留下来最后一次经过的电流。
这个性质使得忆阻器不仅可以作为电路元件，还可以被用来存储信息。
忆阻器最初是由来自日本的手塚治首先提出的。
手塚治是一位材料科学家，他把忆阻器称为了“电子臭皮囊”。
这个名字是来自于日本传统文化中的一种玩具。
实际上，忆阻器是被用来创造一种可以模仿人类大脑行为的电子器件。
忆阻器的发明主要依靠了一种名为MgO（氧化镁）的材料，这种材料以前被用来制作陶瓷。
忆阻器中的MgO被压缩成了一层非常薄的膜。
当电流通过这个膜时，它会在里面产生巨大的压力，这样电阻就发生了重大的变化。
电阻值的变化是由MgO中的磁性颗粒的运动引起的。
这个特性使得忆阻器既可以读取信息，又可以存储信息。
当使用忆阻器进行存储时，它的电阻值会发生变化。
这就可以被用来表示一个数字或者字符。
同时，它的电阻值会被保留下来，这就相当于存储了一个二进制位。
在实际应用中，忆阻器可以被用来存储大量的数据。
因为它不需要外部电源来保持数据，所以它的存储器具有非常高的可靠性。
忆阻器的发明对于电子技术的进步有着非常重要的意义。
它可以被用来制作一些非常高效的电子器件。
随着忆阻器的不断发展和应用，这种技术在未来有望被用来替代传统的存储器技术。
忆阻器阻变层结构
忆阻器阻变层结构
忆阻器（Memristor）是一种电子器件，它的电阻值可以随着电流的方向和大小而改变，同时还可以记忆电流的方向和大小。
忆阻器的发明者是惠普实验室的科学家Leon Chua，于2008年首次提出了这个概念。
忆阻器的应用领域非常广泛，包括人工智能、神经网络、存储器等。
忆阻器的阻变层结构是忆阻器的核心部分，它由两个电极和一个阻变层组成。
阻变层通常由一种或多种金属氧化物组成，例如钛酸锶（SrTiO3）、钛酸钡（BaTiO3）等。
这些金属氧化物具有非晶态和晶态两种状态，通过控制电流的大小和方向，可以使阻变层在这两种状态之间转换。
阻变层的非晶态和晶态的电阻值是不同的，非晶态的电阻值较高，晶态的电阻值较低。
当电流通过忆阻器时，阻变层会发生相变，从而改变电阻值。
如果电流的方向和大小相同，阻变层会继续保持相同的状态，这就是忆阻器的记忆功能。
如果电流的方向或大小改变，阻变层就会发生相变，从而改变电阻值。
忆阻器的阻变层结构具有很多优点，例如快速响应、低功耗、高密度等。
因此，忆阻器被广泛应用于人工智能、神经网络和存储器等领域。
未来，随着忆阻器技术的不断发展，它将会成为电子器件领域的一个重要组成部分。
忆阻器
• 2008年（距蔡教授提出忆阻器已经37年过去了）
才出现了转机，另一个由 Stanley Williams 领 军的 HP 团队在研究二氧化钛的时候，意外地发 现了二氧化钛在某些情况的电子特性比较奇特。最 终由此制出了第四电子元件。
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忆阻器构成及原理
一块极薄的二氧化钛被夹在两个电极 中间，这些二氧化钛又被分成两个部 份，一半是正常的（图二中undoped 部分）二氧化钛，另一半进行了“掺 杂”（图二中doped部分），少了几 个氧原子。当“掺杂”的那一半带正 电，因此电流通过时电阻比较小，而 且当电流从“掺杂”的一边通向正常 的一边时，在电场的影响之下缺氧的 “掺杂物”会逐渐往正常的一侧游移 ，使得以整块材料来言，“掺杂”的 部份会占比较高的比重，整体的电阻 也就会降低。反之，当电流从正常的 一侧流向“掺杂”的一侧时，电场会 把缺氧的“掺杂物”从回推，电阻就 5 会跟着增加。
companylogo忆阻器最简单的应用就是作为非易失性阻抗存储器rram今天的动态随机存储器所面临的最大问题是当你关闭pc电源时动态随机存储器就忘记了那里曾有过什么所以下次打开计算机电源你就必须坐在那儿等到所有需要运行计算机的东西都从硬盘装入到动态随机存储器
1.发展历史介绍 2.原理介绍 3.特性 4.应用
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忆阻器的特性
• 忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制
电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为 “1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现 存储数据的功能。 • 忆阻器器件的特征是它可以记忆流经它的电荷数量。 忆阻器的电阻取决于多少电荷经过了这个器件。即 使断电它的电阻也会保持不变，记住断电那一刻的 状态。 • 由于忆阻器的电阻值是随流过的电流来决定，所以 它也能定义除1和0以外的其他状态。
第四种电子元件——忆阻器
长沙学院CHANGSHA UNIVERSITY 《信息科学与技术导论》课程论文论文题目:第四种基本电路元件--忆阻器系部：电子与通信工程系专业：电子信息工程学生姓名：班级：学号长沙学院教务处二○一一年二月制摘要5年前《自然》杂志的一篇论文，让“忆阻器”三个字广为人知。
这一被美国加州大学伯克利分校教授蔡少棠于1971年预言存在的第四种基本电路元件，在经历晶体管时代漫长的“下落不明”后，被惠普实验室首先“找到”，轰动了全球电子学界。
忆阻器是一类具有电阻记忆行为的非线性电路元件，被认为是除电阻、电容、电感外的第四个基本电路元件。
本文回顾了忆阻器的概念和数学定义，重点介绍了惠普实验室的P t / T iO 2 / P t 三明治结构的忆阻器薄膜器件模型和忆阻器元件某些值得关注的特性，如滞回曲线特性。
阐述了忆阻器在D-RAM的替代品、类脑系统、生物记忆行为仿真、基础电路和器件设计方面的应用前景。
关键词：忆阻器，理想元件，忆阻应用ABSTRACT5 years ago "Nature" magazine of a paper，so that "memristor" words known. This is the University of California，Berkeley professor Leon Chua predicted the existence of a fourth basic circuit element in 1971，after the transistor era long "missing" after being the first "found" HP Labs，the global electronic academic sensation. Memristor is a class of nonlinear circuit element having a resistance memory behavior is considered in addition to resistors，capacitors，inductors outside the fourth basic circuit element. This paper reviews the memristor concept and mathematical definition，focusing on the HP Labs P t / T iO 2 / P t memristor film memristor device model and some of the sandwich structure components noteworthy features，such as hysteresis curve characteristics. Memristor elaborated in alternative D-RAM, the class brain systems, biological memory behavioral simulation, basic circuits and devices prospect design.Keywords：memristor，ideal components，memristive applications目录摘要................................................................................................................... I I ABSTRACT .......................................................................................................... I I 一引言.. 0二忆阻器的概念和定义 0三忆阻器应用领域及研究方向展望 (2)（一）D-RAM的替代品——非易失性阻抗存储器( RRAM) (2)（二）类脑系统——模拟大脑的功能 (3)四中国忆阻器现状 (4)（一）有望续写摩尔定律 (4)（二）国内外鲜明对比 (5)（三）鸿沟待跨越 (6)结束语 (6)参考文献 (7)一引言很多人知道电阻器（抵抗电流）、电容器（存储电荷）和电感器（抵抗电流的变化），但很少有人知道第四类可记忆二端元件：忆阻器、忆容器和忆感器。
水平结构两端忆阻器介绍
水平结构两端忆阻器介绍
水平结构两端忆阻器是一种电子元件，常用于电路中的存储和计算功能。
它是一种特殊的电阻器，具有记忆功能。
水平结构两端忆阻器由材料层和电极层构成，其中材料层是由一种特殊的材料制成，具有变阻特性。
水平结构两端忆阻器的工作原理是利用材料层中的电子在外加电压下的迁移和聚集，来改变电阻的大小。
当施加不同电压时，材料层中的电子会发生迁移，从而改变了材料的电阻值。
这种电阻的改变是可逆的，即当电压减小或者反向时，电子会重新迁移回原来的位置，使得电阻恢复到初始状态。
水平结构两端忆阻器具有多种优点。
首先，它的响应速度快，可以实现快速的存储和计算。
其次，它的功耗低，能够节省能源。
此外，水平结构两端忆阻器的尺寸小，体积轻巧，适合集成到微型电子设备中。
水平结构两端忆阻器在电子领域有着广泛的应用。
它可以用于存储器、逻辑电路、神经网络等电路中。
在存储器中，水平结构两端忆阻器可以实现高密度、高速度的数据存储。
在逻辑电路中，它可以实现计算和逻辑运算。
在神经网络中，它可以模拟神经元之间的连接和传递。
总结起来，水平结构两端忆阻器是一种具有记忆功能的电子元件，
可以实现存储和计算功能。
它具有快速响应、低功耗和小尺寸等优点，并且在电子领域有着广泛的应用。
通过不同电压的施加，水平结构两端忆阻器可以实现电阻的变化和恢复，从而实现数据的存储和计算。
它的出现和应用，推动了电子技术的发展和进步。
忆阻器综述
国内发展状况忆阻器的理论是于1971年由美国华裔科学家蔡少堂提出，并且在2008年被HP公司发现。
虽说有关忆阻器的发言权在西方国家，但是无论是最新理论创新方面还是忆阻器应用方面，我国在这方面的研究并不比他们落后多少。
早在上世纪九十年代（1991年），我国对气体放电灯的电压电流特性进行了深刻的研究，发现了气体放电灯的一些新性质，最后指出气体放电灯属于一种流控忆阻器，其特性不能用电路中的三个传统的基本元件来描述。
同时，它们对气体放电灯的一些忆阻特性进行了大篇幅的分析探讨[1]。
在1995年，他们又在原来的基础上发表了论文[2]，这篇论文主要研究气体放电灯在音频段至射频段的电压电流函数。
他们采用了新型电子仪器设备，对气体放电灯在该频段的动态特性进行了实验测试，得到了一些新的实验结果，并且进一步说明了气体放电灯的流控忆阻器特性。
借助于大量的实验，它们在音频段至射频段给出了气体放电灯的八组电压电流波形，波形显示，其形状如同一个分布在一三象限的八字形蝴蝶结，与惠普实验室的实验结果吻合的很好，这一发现比惠普实验室早了十多年，但是当时的科技发言权不再中国，使得我国的这一发现至今仍然鲜为人知。
2008年9月，我国清华大学校友陈怡然等人发表论文[3]，主要给出了基于纳米电子自旋效应的三种电子自旋忆阻器，属于世界领先水平。
电子自旋是原子中普遍存在的现象。
这篇论文根据纳米电子自旋产生的磁性效应，给出了三种电子自旋忆阻器，这三种忆阻器的原理不同于惠普实验室的二氧化钛双极开关模型，这种新型电子自旋忆阻器可以在从皮秒量级到微秒量级等不同的速率下进行电阻值的转换，以满足不同应用的需要，相信在不久的将来，这种忆阻器将会得到广泛的应用。
国外发展状况早在1995年，惠普实验室接到了科研上层的任务，即：研究纳米级的电子器件。
经过多年的研究与实验，在2006年就发现了用二氧化钛组成的忆阻器，并且在2008年第一个发表相关论文，同年5月份，惠普公司用两端纳米级电阻开关点阵器件实现了人工神经网络。
钙钛矿忆阻器的国内外研究
钙钛矿忆阻器的国内外研究钙钛矿忆阻器是一种具有忆阻效应的材料，其应用前景广阔，目前已经在国内外得到了广泛研究。
以下是对国内外钙钛矿忆阻器研究的简要综述。
国内研究在国内，关于钙钛矿忆阻器的研究已经得到了较为广泛的关注，许多实验室和研究机构都在该领域进行了深入的探索。
江苏大学的研究团队通过自组装技术制备出了一种新型的钙钛矿忆阻器，在其研究成果中向我们展示了一种基于钙钛矿材料的忆阻器，并且该忆阻器有着更低的电压响应和更高的输出电压。
上海交通大学的研究团队也在钙钛矿忆阻器方面进行了不少探索。
他们通过使用光学调控方法破坏钙钛矿中的对称性，使其具备巨大的忆阻效应。
同时，钙钛矿忆阻器也被用作了可再生能源设备中的节能模块，为该领域的开发做出了一定的贡献。
外国研究在国外，钙钛矿忆阻器更是受到了高度关注，英国、美国等国的实验室都在该领域进行了大量的研究工作。
英国剑桥大学的研究团队通过将钙钛矿材料与铁磁性材料结合，制作出了具有高比例性、低功耗和尺寸小的忆阻器。
该材料具备优异的忆阻效应，可望在未来的存储器中得到广泛应用。
美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的团队也在钙钛矿忆阻器方面有着卓越的研究水平。
他们发现钙钛矿忆阻器中的电子和离子在外加电场的作用下会发生迁移，这种现象可被用于制造更快的存储器和计算机，具有重要意义。
结论综上所述，钙钛矿忆阻器可以说是目前各国实验室研究的热点之一。
该材料具备良好的忆阻性能和应用潜力，有望在未来的电子设备中得到广泛应用。
在国内，江苏大学、上海交通大学等高校也在该领域取得了不少进展。
而在国际上，英国剑桥大学、美国伊利诺伊大学等的研究团队也在该领域有着优异的研究水平。
液态金属忆阻器
液态金属忆阻器
液态金属忆阻器是一种利用液态金属作为阻变介质的新型忆阻器，其具有较高的阻变比、快速响应速度和优良的耐久性等特点。
在液态金属忆阻器中，液态金属在一定条件下发生状态变化，从而改变其导电性能，实现阻变效果。
与传统的忆阻器相比，液态金属忆阻器具有更高的性能和可靠性，可以广泛应用于存储器、逻辑电路等领域。
液态金属忆阻器的制备工艺主要包括制备电极、制备阻变介质和制备介质/电极界面等步骤。
其中，制备电极通常采用金属薄膜沉积或印刷技术，制备阻变介质则可以采用液态金属直接注入或溅射等方法，而制备介质/电极界面则需要控制电极表面的粗糙度、平整度和清洁度等参数。
液态金属忆阻器的阻变机制主要包括金属-绝缘体转变和电化学反应两种类型。
在金属-绝缘体转变机制中，液态金属在一定条件下发生结构变化，由金属态转变为绝缘态，从而实现阻变效果。
而在电化学反应机制中，液态金属在电场作用下发生化学反应，生成不同导电性能的物质，从而实现阻变效果。
总之，液态金属忆阻器作为一种新型的阻变存储器件，具有较高的性能和可靠性，有望成为下一代存储器、逻辑电路等领域的重要技术之一。
TiO2-忆阻器
HP实验室的研究模型
由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每 一个交叉点上，要放一个开关连接一条横向和纵向的 电线。让这两条电线控制这个开关的状态，那网格上 的每一个交叉点都能储存一个位的数据。这种材料必 须要能有“开”、“关”两个状态，这两个状态必须 要能控制，在不改变状态的前提下，发挥其开关的效 果，允许或阻止电流的流过。
开关机制取决于： 1、氧化物材料(掺杂氧空位的浓度、氧化物的 最佳生长窗口、正常氧化物的电阻率不可 过高也不可过低、适当退火温度的电学性 质最优） 2、电极材料 3、偏压幅度大小和脉冲时间（频繁正负偏压 之间的激励） 4、环境条件（器件需洁净，小的水分子或金 属纳米粒子可能导致器件短路）
1、用扫描隧道显微镜去探测双极性开关 中导电细丝的形成与减退 2、用X射线衍射分析掺杂薄膜的结晶相 3、用X射线光电子谱分析金属的氧化态 4、测其I-V特性
具有忆阻现象的十字交叉矩阵示意图
二、TiO2薄膜器件—忆阻器模型
两个电极为Pt材料，薄膜夹层左边区域为TiO2具有很高的忆阻值Roff, 右边区域为TiO2-x(掺杂氧缺位)具有低的忆阻值Ron，当掺杂的那一半带 正电，电流通过时电阻较小，而且当电流从掺杂的一边通向正常的一边 时，在电场的影响之下缺氧的掺杂物会逐渐往正常的一侧游移，使得以 整块材料来言，掺杂的部分会占比较高的比重，杂质均匀的分布在金属 氧化半导体中，整体的电阻也会降低。反之，当电流从正常的一侧流向 掺杂的一侧时，电场会把缺氧的掺杂物往回推，被推到某一端,导致杂质 的分布极端不均，电阻就会跟着增加。因此，整个器件就相当于一个滑 动变阻器。
三、忆阻器的研究进展及应用前景
1、忆阻器的研究进展
2、应用前景
1）忆阻器在人工神经网络中的应用
忆阻器概念
忆阻器概念
忆阻器，全称记忆电阻器（Memristor），是继电阻、电容、电感之后的第四种电路基本元件。
它表示磁通与电荷之间的关系，最早是由华裔科学家蔡少棠提出。
忆阻具有电阻的量纲，但和电阻不同的是，其阻值的变化依赖于流过它的电荷数量或磁通量。
忆阻的随机存储器的集成度，功耗，读写速度都要比传统的随机存储器优越。
此外，忆阻是硬件实现人工神经网络突触的最好方式。
由于忆阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地储存和处理信息。
一个忆阻器的工作量，相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。
二氧化钒忆阻器-概述说明以及解释
二氧化钒忆阻器-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在引言部分的概述中，我们将介绍二氧化钒忆阻器的基本概念和它在电子领域的重要性。
忆阻器是一种特殊的电阻器，它具有自我记忆能力。
二氧化钒作为一种常见的忆阻器材料，在忆阻器的研究和应用中具有重要地位。
忆阻器能够根据输入信号的幅度和频率改变其电阻值，具有非线性的电阻特性。
这种特性使得忆阻器能够在模拟电路和存储器中发挥重要作用。
而二氧化钒作为一种经济、易得和稳定的材料，被广泛应用于制造忆阻器。
引言部分还将介绍忆阻器的原理和特点。
忆阻器的工作原理主要基于材料表面电荷重构、晶格结构变化和离子扩散等机制。
这些机制使得二氧化钒具有非线性的电阻-电流关系和可编程的电阻切换特性。
这些特点使得忆阻器在存储器、电路设计和人工智能等领域具有广泛的应用前景。
通过本文的概述部分，读者将了解到二氧化钒忆阻器的基本概念、原理和特点。
这为后续章节中对二氧化钒忆阻器性质和应用以及未来发展方向的探讨奠定了基础。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将分为三个主要部分，以探讨二氧化钒忆阻器的性质、应用以及其潜在的优势和未来发展方向。
具体结构如下：第一部分是引言部分，将从概述、文章结构和目的三个方面介绍本文的主题和组织结构。
首先，我们将简要概述二氧化钒忆阻器的背景和意义，引发读者对该主题的兴趣。
其次，我们将说明本文的结构框架，帮助读者理解全文的逻辑关系和内在联系。
最后，我们将阐明本文的目的，即通过对二氧化钒忆阻器的研究和探讨，探索其在现实应用中的潜力。
第二部分是正文部分，将详细介绍二氧化钒的物理性质和主要应用，以及忆阻器的工作原理和特点。
在二氧化钒的性质和应用方面，我们将探讨其化学成分、晶体结构以及独特的电学性质，并总结其在能源存储、传感器和信息存储等领域的广泛应用。
在忆阻器的原理和特点方面，我们将解释其内部结构和工作机制，以及与传统电阻器之间的区别和优势。
通过这一部分的介绍，读者将对二氧化钒忆阻器有更全面的了解。
忆阻器
忆阻器忆阻器，全称记忆电阻。
最早提出忆阻器概念的人是华裔的科学家蔡少棠，时间是1971 年。
2013年，比勒菲尔德大学物理学系的高级讲师安迪·托马斯博士研制的忆阻器被内置于比人头发薄600倍的芯片中，利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究结果将发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上。
基本介绍忆阻器，全称记忆电阻，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。
最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。
时间是1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，任教于加州大学伯克利分校的蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。
这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。
用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。
因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。
由于忆阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地储存和处理信息。
一个忆阻器的工作量，相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。
[1] 2发展过程提出蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。
为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，也没有人在找，处于连集成电路刚起步不久的阶段，离家用电脑普及还有至少15年的时间，这时候HP 就登场了。
研究HP 关于忆阻器的发现在2008 年时发表于「自然」期刊，2009 年证明了Cross Latch 的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。
技术每个电线间的「开关」大约是3nm x 3nm 大，开关切换的时间小于0.1ns，整体的运作速度已和DRAM差不多，但是开关次数还不如DRAM-- 还不足以取代DRAM，但是靠着1 cm² 100 gigabit（GB），1cm³ 1 petabit（数据存储单位1PB=1000TB）（别忘了它是可以堆栈的）的惊人潜在容量，干掉闪存是绰绰有余的。
忆阻器的发展与应用
未来研究方向和前景展望
新型材料与技术
探索新型材料和技术，提高忆 阻器的性能、稳定性和可靠性
，降低成本。
神经形态计算
利用忆阻器模拟神经元和突触的 功能，构建神经形态计算系统， 实现更高效、智能的计算。
物联网与边缘计算
将忆阻器应用于物联网和边缘计 算领域，实现数据的就近存储和 处理，提高响应速度和能效比。
化学气相沉积
通过化学反应在基底上生 成忆阻材料薄膜。
微纳加工技术
光刻技术
利用光刻胶和光刻机对忆 阻材料进行微细加工。
刻蚀技术
采用干法刻蚀或湿法刻蚀 技术，对忆阻材料进行高 精度刻蚀。
纳米压印技术
利用纳米压印模板在忆阻 材料上压印出纳米级图案。
性能测试与表征方法
电学性能测试
测试忆阻器的电阻、电容、电感等电 学性能。
应用
MRAM具有非易失性、高速、低功耗等优点， 被广泛应用于嵌入式系统、移动设备、航空航 天等领域。同时，MRAM还有望成为未来神经 形态计算和量子计算的重要硬件基础。
各类存储器性能比较
01
02
03
04
速度
RRAM和PCRAM的读写速度 较快，而MRAM的读写速度
相对较慢。
功耗
RRAM和PCRAM的功耗较低 ，而MRAM的功耗相对较高
神经形态计算挑战
神经形态计算在硬件实现、算法设计 、系统集成等方面面临诸多挑战，如 神经元和突触的复杂动态特性、硬件 资源的有限性等。
基于忆阻器的突触仿生器件
忆阻器作为突触仿生器件
忆阻器具有非易失性、连续可调电阻等特性，可模拟生物突触的权重调节和信息传递功 能。
突触仿生器件应用
基于忆阻器的突触仿生器件在图像识别、语音识别、自然语言处理等任务中展现出良好 性能。
什么是忆阻器
什么是忆阻器？忆阻器忆阻器的英文 Memristor 来自「Memory（记忆）」和「Resistor（电阻）」两个字的合并，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。
最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。
时间是 1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。
这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。
用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。
因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。
忆阻器有什么用？在发现的当时...没有。
蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。
为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，但当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，而且更重要的，也没有人在找 -- 那是个连集成电路都还刚起步不久的阶段，离家用电脑开始普及都还有至少 15 年的时间呢！于是这时候 HP 就登场了。
事实上 HP 也没有在找忆阻器，当时是一个由 HP 的 Phillip J Kuekes 领军的团队，正在进行的一种称为Crossbar Latch 的技术的研究。
Crossbar Latch 的原理是由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个「开关」连结一条横向和纵向的电线。
如果能让这两条电线控制这个开关的状态的话，那网格上的每一个交叉点都能储存一个位的数据。
这种系统下数据密度和存取速度都是前所未闻的，问题是，什么样的材料能当这个开关？这种材料必需要能有「开」、「关」两个状态，这两个状态必需要能操纵，更重要的，还有能在不改变状态的前提下，发挥其开关的效果，允许或阻止电流的通过。
忆阻器
忆阻器(Memristor)忆阻器被证实存在按照我们目前的知识，基本的无源电子元件只有3大类，即电阻器、电容器和电感器。
而事实上，无源电路中有4大基本变量，即电流、电压、电荷和磁通量。
早在1971年加州大学伯克利分校的蔡少棠(Leon Chua)教授就提出一种预测：应该有第四个元件的存在。
他在其论文《忆阻器：下落不明的电路元件》提出了一类新型无源元件—记忆电阻器(简称忆阻器)的原始理论架构，推测电路有天然的记忆能力。
忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。
通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。
2008年，美国惠普实验室下属的信息和量子系统实验室的研究人员在英国《自然》杂志上发表论文宣称，他们已经证实了电路世界中的第四种基本元件———忆阻器(Memristor)的存在，并成功设计出一个能工作的忆阻器实物模型。
在该系统中，固态电子和离子运输在一个外加偏置电压下是耦合在一起的。
这一发现可帮助解释过去50年来在电子装置中所观察到的明显异常的回滞电流—电压行为的很多例子。
忆阻器器件的最有趣的特征是它可以记忆流经它的电荷数量。
其电阻取决于多少电荷经过了这个器件，即让电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。
简单地说，这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数———多少电荷向前或向后经目前已经可以通过一些技术途径实现忆阻器，但制约这类新硬件发展的主要问题是电路中的设计。
目前还没有忆阻器的设计模型使其用于电路当中。
有人预测，这种产品5年后才可能投入商业应用。
忆阻器将有可能用来制造非易失性存储设备、即开型PC（个人电脑）、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等，甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，这将对电子科学的发展历程产生重大影响。
忆阻器基础电子学教科书列出三个基本的被动电路元件：电阻器、电容器和电感器；电路的四大基本变量则是电流、电压、电荷和磁通量。
忆阻器原理
忆阻器原理
忆阻器是一种电子器件，它的原理基于磁性材料的磁滞特性。
它可以被理解为一种存储能量的元件，类似于电容器和电感器。
忆阻器的工作原理可以通过磁滞环来解释。
磁滞环是由磁性材料构成的环形结构，其呈现出一种特殊的磁滞回线。
当施加一个外部磁场时，磁性材料会沿着这条磁滞回线进行磁化，存储磁能。
当外部磁场被去除时，磁滞环上的磁场不会立即消失，而是会维持在一个残余磁场的水平上。
这使得忆阻器能够“记住”先前的磁场历史。
换句话说，残余磁场的大小取决于之前施加的磁场的强度和方向。
通过改变忆阻器中磁性材料的电阻，可以控制残余磁场的大小。
当电阻增加时，残余磁场的变化会减缓，这意味着磁滞环能够更好地“记住”先前的磁场历史。
而当电阻减小时，残余磁场的变化更快，磁滞环的“记忆”效果减弱。
忆阻器在电子器件中具有广泛的应用。
例如，在存储器技术中，忆阻器可以用作非易失性存储器，因为它能够保持先前的存储状态。
此外，忆阻器还可以用于神经元模拟器和人工智能领域，用于模拟和实现脑部神经元之间的突触连接效应。
总之，忆阻器的工作原理基于磁性材料的磁滞特性，能够存储先前的磁场历史，并具有多种应用的潜力。
电路第四基本元件—忆阻器的探索与研究
电路第四基本元件—忆阻器的探索与研究电路中的基本元件包括电阻器、电容器、电感器以及忆阻器。
忆阻器是一种特殊的电阻器，具有特殊的电学性能和磁学性能。
在大多数电子设备和电器中，都有使用忆阻器的情况，其作用也越来越受到人们的关注。
本文将探索和研究忆阻器的基本特性，并分析其在电路中的应用。
忆阻器的基本特性忆阻器是指通过材料本身磁学性能的变化来调整电流的大小和方向。
忆阻器在电路中的作用和电阻器相似，都是对电流的阻碍作用。
但是，忆阻器具有比电阻器更加特殊的电学性能，如忆阻器的电阻值可以由电流大小和方向的变化而变化。
忆阻器的磁学性能是起源于其材质的本身性能。
其中，最常用的材质是铁氧体和磁性体。
这些材质可以在外加电磁场的作用下，产生特殊的磁学性能，从而实现电流大小和方向的调整。
值得注意的是，忆阻器的磁学性能可以受到外界环境的影响，例如温度和磁场强度等。
忆阻器的应用忆阻器在电路中有着广泛的应用，这种特殊的电路元件可以改变电流的大小和方向，对于各种电器和电子设备的正常运行至关重要。
下面，将分析忆阻器的主要应用。
1. 传感器：忆阻器可以作为温度传感器、压力传感器、磁场传感器等各种传感器的关键元件。
通过忆阻器的电学性能，可以将传感器中的物理信号转换成电信号，进而实现各种自动化控制。
2. 记忆器：忆阻器也可以用于存储数字信号或模拟信号。
通过电流方向的变化，可以实现数据存储和记忆的功能。
3. 滤波器：忆阻器可以作为高低通滤波器的关键元件，通过其特殊的电学性能，可以实现滤波效果，从而保证电路信号的稳定和可靠性。
4. 电源保护：忆阻器可以用于电源过流保护，通过对电路中的电流大小和方向的控制，可以有效地保护电源和电器设备的安全运行。
总之，忆阻器是一种特殊的电路元件，具有独特的电学性能和磁学性能，在电子设备和电器中具有广泛的应用。
忆阻器的应用不仅限于传感器、滤波器和电源保护，还应用于全球通信、智能手机、计算机和其他多种电器设备。
随着技术的不断创新和发展，忆阻器也将在更多的领域展现其强大的应用优势。
二硫化钼忆阻器
二硫化钼忆阻器一、引言二硫化钼忆阻器是一种新型的电子元件，它具有非常优异的记忆特性和可编程性，已经被广泛应用于存储器、逻辑电路、模拟电路等领域。
本文将对二硫化钼忆阻器进行详细介绍。
二、基本原理二硫化钼忆阻器是一种双稳态电阻器，它由两个金属电极和一个二硫化钼薄膜组成。
当施加正向偏置电压时，二硫化钼薄膜发生氧化反应，形成一个高电阻态；当施加负向偏置电压时，反应逆转，形成低电阻态。
这种双稳态性使得二硫化钼忆阻器可以作为一种非易失性存储器使用。
三、制备方法制备二硫化钼忆阻器的方法主要有物理气相沉积法、溅射法和热蒸发法等。
其中物理气相沉积法是最常用的方法之一。
该方法需要将金属基板放入真空室内，并通过喷射或者热源加热使得源材料升华并在基板上沉积形成二硫化钼薄膜。
四、性能优点二硫化钼忆阻器具有以下几个优点：1. 非易失性：二硫化钼忆阻器可以长时间保存存储状态，即使断电也不会丢失数据。
2. 快速响应：二硫化钼忆阻器的响应速度非常快，可以达到纳秒级别。
3. 低功耗：相比于其他存储器，二硫化钼忆阻器功耗非常低。
4. 可编程性：二硫化钼忆阻器可以通过施加特定电压来改变其电阻值，从而实现可编程性。
五、应用领域二硫化钼忆阻器已经广泛应用于存储器、逻辑电路和模拟电路等领域。
在存储器方面，它可以用于构建高密度、高速的非易失性存储芯片；在逻辑电路方面，它可以作为一种新型的开关元件；在模拟电路方面，它可以作为一种可编程的电阻和可控制的滤波器。
六、发展前景随着信息技术的不断发展和人们对数据安全的日益重视，二硫化钼忆阻器在存储器领域的应用前景非常广阔。
同时，随着制备工艺的不断改进和研究的深入，二硫化钼忆阻器在逻辑电路和模拟电路领域的应用也将得到进一步扩展。
七、结论综上所述，二硫化钼忆阻器是一种具有非常优异性能和广泛应用前景的新型电子元件。
它具有非易失性、快速响应、低功耗和可编程性等优点，在存储器、逻辑电路和模拟电路等领域都有着广泛的应用前景。
忆阻器专利技术综述
收稿日期：2021-04-25 作者简介：韩婷（1989—），女，硕士，助理研究员，研究方向：半导体领域的专利审查；张海洋（1989—），男，硕士，助 理研究员，研究方向：半导体领域的专利审查（等同于第一作者）。
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集成度高、兼容性强、可实现混沌互联和并行处理等优势，有望突破摩尔定律和冯·诺伊曼瓶颈。本文梳理了
忆阻器的国内外专利申请，从 6 种不同的物理实现方式出发，对该领域的重点专利技术进行介绍，有助于了解
该领域的专利技术发展脉络。
关键词：忆阻器；专利；突触；物理机制
中图分类号：TN60
文献标识码：A
文章编号：1003-5168（2021）14-0149-04
·150·
忆阻器专利技术综述
第 14 期
了设计自由度，实现了多位存储。图 1 中，J 为电流密 度，E 为Hale Waihona Puke 料中的净电场。24J
E 26
V
16,22
14
12
注：12. 右电极；14. 左电极；16. 切换结；22. 有源区；24. 空穴/阳离子； 26. 电子/阴离子。
图 1 忆阻器示意图
为了进一步降低成本和优化性能，黑龙江大学提出 蛋白质基快速开关忆阻器阵列［9］，拓宽了忆阻功能材料 的选择。北京大学通过在储氧能力较强的顶电极与阻变 层之间设置可交换氧离子的辅助层，降低了导电细丝形 成的偶然性和随机性［10］。中科院宁波材料技术与工程研 究所开发有机电解质-有机阻变层的复合体系，其电流激励次数、电流-时间等特性曲线呈现类似生物神经突触 的“学习、记忆、遗忘、回忆”特征［11］。2015 年，东北师范大 学引入一维 TiO2 纳米线的忆阻基质，以控制氧缺陷的扩 散路径［12］，后又提出具有较低初始形成电压的非晶碳基 忆阻器［13］。西南交通大学提出将树叶粉末和乙基纤维素 胶体混合体系的生物材料作为忆阻材料［14］。
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国内发展状况
忆阻器的理论是于1971年由美国华裔科学家蔡少堂提出，并且在2008年被HP公司发现。
虽说有关忆阻器的发言权在西方国家，但是无论是最新理论创新方面还是忆阻器应用方面，我国在这方面的研究并不比他们落后多少。
早在上世纪九十年代（1991年），我国对气体放电灯的电压电流特性进行了深刻的研究，发现了气体放电灯的一些新性质，最后指出气体放电灯属于一种流控忆阻器，其特性不能用电路中的三个传统的基本元件来描述。
同时，它们对气
体放电灯的一些忆阻特性进行了大篇幅的分析探讨[1]。
在1995年，他们又在原来的基础上发表了论文[2]，这篇论文主要研究气体放电灯在音频段至射频段的电
压电流函数。
他们采用了新型电子仪器设备，对气体放电灯在该频段的动态特性进行了实验测试，得到了一些新的实验结果，并且进一步说明了气体放电灯的流控忆阻器特性。
借助于大量的实验，它们在音频段至射频段给出了气体放电灯的八组电压电流波形，波形显示，其形状如同一个分布在一三象限的八字形蝴蝶结，与惠普实验室的实验结果吻合的很好，这一发现比惠普实验室早了十多年，但是当时的科技发言权不再中国，使得我国的这一发现至今仍然鲜为人知。
2008年9月，我国清华大学校友陈怡然等人发表论文[3]，主要给出了基于
纳米电子自旋效应的三种电子自旋忆阻器，属于世界领先水平。
电子自旋是原子中普遍存在的现象。
这篇论文根据纳米电子自旋产生的磁性效应，给出了三种电子自旋忆阻器，这三种忆阻器的原理不同于惠普实验室的二氧化钛双极开关模型，这种新型电子自旋忆阻器可以在从皮秒量级到微秒量级等不同的速率下进行电阻值的转换，以满足不同应用的需要，相信在不久的将来，这种忆阻器将会得到广泛的应用。
国外发展状况
早在1995年，惠普实验室接到了科研上层的任务，即：研究纳米级的电子器件。
经过多年的研究与实验，在2006年就发现了用二氧化钛组成的忆阻器，并且在2008年第一个发表相关论文，同年5月份，惠普公司用两端纳米级电阻开关点阵器件实现了人工神经网络。
2008年6月1日，美国波士顿George Mason University研究生Victor
Erokhin 和M.P.Fontana研制了一个聚合体忆阻器[4]
2008年7月15日，惠普实验室高级科研者Stanley Williams等人发表论
文[5]，主要讲到了纳米级金属/氧化物/金属开关的忆阻特性，揭示了它属于一个
双极开关，以及它的忆阻器开关特性与机制。
2008年8月26日，韩国三星公司在他们所研制的双层氧化物器件中发现了电流记忆特性，并且表明它也属于一种忆阻器，这个忆阻器的工作机理也与惠普实验室的有所不同。
2008年11月底，美国加州大学伯克利分校，美国半导体行业协会和美国国家科学基金会共同举办了忆阻器及忆阻系统研讨会，惠普实验室在会上展示了忆阻器的最新进展———世界首个3D忆阻器混合芯片。
2009年1月，Massimiliano Di Ventra,Yuriy V.Pershin,Leon O. Chua
发表论文[6]，这篇论文把忆阻器系统的概念推广到电路其他三个基本元件，并且
对其特性进行了大胆的猜想与论证。
2009年四月，美国密歇根大学科学家开发出一种由纳米级忆阻器构成的芯片，该芯片能存储1千比特的信息。
发表在《纳米通讯》上的此项研究成果将有可能改变半导体产业，使成功研制出更小、更快、更低廉的芯片或电脑成为可能。
忆阻器可以作为电脑元件，可在一简单封装中提供内存与逻辑功能。
此前，由于可靠性和重复性问题，所展示的都是只有少数忆阻器的电路，而研究人员此次展示的则是基于硅忆阻系统并能与CMOS兼容的超高密度内存阵列。
虽然1千比特的信息量并不算大，但研究人员仍认为这是一大飞跃，这将使该技术更易于扩展以存储更多的数据。
芯片研制者、密歇根大学电气工程与计算机科学系副教授吕炜表示，在一个芯片上集成更多的晶体管已变得越来越困难，因为晶体管缩小导致功耗增加，且难以安排所有必需的互连，将器件差异做到最小的成本也很高。
而忆阻器的结构更简单，它们更易于在一个芯片上封装更多的数量，以达到最高可能密度，对于内存这样的应用更具吸引力。
美国惠普公司科学家2010年4月8日在《自然》杂志上撰文表示，他们在忆阻器（memristor）设计上取得重大突破，发现忆阻器可进行布尔逻辑运算，用于数据处理和存储应用。
科学家认为，公众将在3年内看到忆阻器电路，其或许可取代目前似乎已经处于“穷途末路”的硅晶体管，最终改变整个电脑行业。
目前，最先进的晶体管的大小为30纳米到40纳米，比一个生物病毒还小（一个生物病毒约为100纳米），惠普纳米技术研究实验室的资深专家斯坦·威廉姆斯表示，惠普现正着手研究3纳米级的忆阻器，开、关的时间只需要十亿分之一秒。
参考文献
1、杨丽徒，王连才，秦克敬等，《气体放电灯的电路特性》， 1991年
2、杨丽徒，王连才，秦克敬等，《气体放电灯的电压电流函数》，1995年
3、陈怡然等人，《Spintronic Memristor Through Spin-Torque-Induced》，IEEE
Transactions，2008年9月
4、Victor Erokhin ,M.P.Fontana,George Mason University,
《Electrochemically controlled polymeric device》, 2008年6月1日5、Stanley Williams，Memristive switching mechanism formetal/oxide/metal
nano-devices，Nature Nanotechnology，2008年7月15
6、Massimiliano Di Ventra,Yuriy V.Pershin,Leon O. Chua,circuit elements
with memory:memristors,memcapacitors and meminductors,2009,1。