OE1022鎖相放大器在單晶二維介電憶阻器的導電樹枝晶工程中的核心應用
【概述】
浙江大學俞濱教授與香港理工大學柴揚教授等團隊使用賽恩科學儀器（SSI）的鎖相放大器OE1022對原子力顯微鏡（AFM）探針捕捉到的表面微小形變電壓信號進行了深度解調，實現了打破紀錄的26mV超低設定（Set）電壓和4fW的極低待機功耗，同時保持了長達10年以上的非易失性數據保持能力。
【正文】
浙江大學俞濱教授與香港理工大學柴揚教授等團隊在綜合性學術期刊《The Innovation》上發(fā)表題為“Conductive dendrite engineering of single-crystalline two-dimensional dielectric memristors”的研究成果。該研究通過在單晶二維介電材料六方氮化硼（h-BN）中進行導電樹枝晶工程，成功解決了憶阻器領域極具挑戰(zhàn)的“功耗-保持力（power-retention dilemma）”兩難問題。該器件實現了打破紀錄的26mV超低設定（Set）電壓和4fW的極低待機功耗，同時保持了長達10年以上的非易失性數據保持能力。
在開發(fā)下一代超低功耗和存算一體架構時，憶阻器是極具潛力的核心元器件。然而，現有的非易失性憶阻器普遍面臨一個根本性矛盾：降低功耗往往會犧牲數據的保持能力。這一痛點的物理根源在于，傳統非晶態(tài)阻變（RS）介質中導電樹枝晶的形成和斷裂具有極大的隨機性。在低工作電壓或極小順從電流（Icc）的限制下，生成的細絲通道因具有極高的表面自由能而處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，極易自發(fā)溶解，導致器件表現出易失性行為，嚴重阻礙了器件尺寸與功耗的進一步下探。
為了從根本上規(guī)避導電細絲的隨機生長，研究團隊摒棄了傳統的非晶材料，轉而采用單晶二維介電材料h-BN作為阻變層，并在其生長過程中引入了可調控的單空位（SV）缺陷密度（nₛᵥ）。在電場驅動的化成（Forming）階段，這些空位傾向于遷移并形成垂直對齊的納米級通道。這種預設的垂直通道能夠像“陷阱”一樣有效捕獲遷移的銀（Ag）離子，嚴格限制了樹枝晶在橫向的無序蔓延。在低阻態(tài)（LRS）下，電子僅需在這些垂直約束通道內的相鄰Ag納米團簇之間進行跳躍（hopping）導電，從而從物理機制上實現了導電路徑的最短化。
研究團隊建立了一個緊湊的物理模型，將SV缺陷密度（nₛᵥ）與憶阻器的工作電壓直接關聯。實驗與模型模擬結果高度吻合：當缺乏缺陷時，器件需要極高的化成電壓且細絲生長隨機；而缺陷過多（大于6.5×10¹³cm⁻²）則會導致形成無法約束Ag原子的龐大孔洞。只有在優(yōu)化的nₛᵥ（約6.5×10¹³cm⁻²）下，器件才能形成尺寸極其受限的垂直細絲通道，使得Ag離子在極短的跳躍距離內就能完成阻變轉換，極大地增強了局部電場，從而成倍降低了所需的外部驅動電壓。
浙江大學俞濱教授與香港理工大學柴揚教授等團隊使用賽恩科學儀器（SSI）的鎖相放大器OE1022對原子力顯微鏡（AFM）探針捕捉到的表面微小形變電壓信號進行了深度解調，實現了打破紀錄的26mV超低設定（Set）電壓和4fW的極低待機功耗，同時保持了長達10年以上的非易失性數據保持能力。
【正文】
浙江大學俞濱教授與香港理工大學柴揚教授等團隊在綜合性學術期刊《The Innovation》上發(fā)表題為“Conductive dendrite engineering of single-crystalline two-dimensional dielectric memristors”的研究成果。該研究通過在單晶二維介電材料六方氮化硼（h-BN）中進行導電樹枝晶工程，成功解決了憶阻器領域極具挑戰(zhàn)的“功耗-保持力（power-retention dilemma）”兩難問題。該器件實現了打破紀錄的26mV超低設定（Set）電壓和4fW的極低待機功耗，同時保持了長達10年以上的非易失性數據保持能力。
在開發(fā)下一代超低功耗和存算一體架構時，憶阻器是極具潛力的核心元器件。然而，現有的非易失性憶阻器普遍面臨一個根本性矛盾：降低功耗往往會犧牲數據的保持能力。這一痛點的物理根源在于，傳統非晶態(tài)阻變（RS）介質中導電樹枝晶的形成和斷裂具有極大的隨機性。在低工作電壓或極小順從電流（Icc）的限制下，生成的細絲通道因具有極高的表面自由能而處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，極易自發(fā)溶解，導致器件表現出易失性行為，嚴重阻礙了器件尺寸與功耗的進一步下探。
為了從根本上規(guī)避導電細絲的隨機生長，研究團隊摒棄了傳統的非晶材料，轉而采用單晶二維介電材料h-BN作為阻變層，并在其生長過程中引入了可調控的單空位（SV）缺陷密度（nₛᵥ）。在電場驅動的化成（Forming）階段，這些空位傾向于遷移并形成垂直對齊的納米級通道。這種預設的垂直通道能夠像“陷阱”一樣有效捕獲遷移的銀（Ag）離子，嚴格限制了樹枝晶在橫向的無序蔓延。在低阻態(tài)（LRS）下，電子僅需在這些垂直約束通道內的相鄰Ag納米團簇之間進行跳躍（hopping）導電，從而從物理機制上實現了導電路徑的最短化。
研究團隊建立了一個緊湊的物理模型，將SV缺陷密度（nₛᵥ）與憶阻器的工作電壓直接關聯。實驗與模型模擬結果高度吻合：當缺乏缺陷時，器件需要極高的化成電壓且細絲生長隨機；而缺陷過多（大于6.5×10¹³cm⁻²）則會導致形成無法約束Ag原子的龐大孔洞。只有在優(yōu)化的nₛᵥ（約6.5×10¹³cm⁻²）下，器件才能形成尺寸極其受限的垂直細絲通道，使得Ag離子在極短的跳躍距離內就能完成阻變轉換，極大地增強了局部電場，從而成倍降低了所需的外部驅動電壓。
圖1.具有不同SV密度的h-BN憶阻器的阻變開關特性。
(A)具有可調SV密度的3×3um Ag/h-BN/Au憶阻器在化成（forming）過程中的I-V曲線。
(B-D) Icc為0.1mA時，具有不同SV密度的單晶h-BN的非易失性雙極性阻變行為。收集了100次連續(xù)的I-V曲線，并高亮顯示了代表性曲線。
(E和F)不同SV密度下set/reset電壓的統計分析。插圖顯示了nsv=6.5×1013cm-2時的set/reset電壓分布。
(G)100次連續(xù)直流（DC）I-V曲線中HRS和LRS電阻的總結，以及依賴于nsv的開關比。
(H)三種SV密度的h-BN憶阻器之間五個器件指標的基準比較圖。
(A)具有可調SV密度的3×3um Ag/h-BN/Au憶阻器在化成（forming）過程中的I-V曲線。
(B-D) Icc為0.1mA時，具有不同SV密度的單晶h-BN的非易失性雙極性阻變行為。收集了100次連續(xù)的I-V曲線，并高亮顯示了代表性曲線。
(E和F)不同SV密度下set/reset電壓的統計分析。插圖顯示了nsv=6.5×1013cm-2時的set/reset電壓分布。
(G)100次連續(xù)直流（DC）I-V曲線中HRS和LRS電阻的總結，以及依賴于nsv的開關比。
(H)三種SV密度的h-BN憶阻器之間五個器件指標的基準比較圖。
圖2.單晶h-BN中的導電樹枝晶工程。
(A-C) nsv從2.0×1013cm-2到9.4×1013cm-2的h-BN憶阻器的SJEM圖像（有效器件面積為3×3um，比例尺代表500nm）及其對應的高度輪廓曲線。
(D和E) nsv為2.0×1013cm-2和6.5×1013cm-2的單晶h-BN憶阻器中細絲路徑的示意圖。
(F) nsv大于9.4×1013cm-2時的細絲路徑示意圖，表明形成了大尺寸通道。
(G)在不同溫度下h-BN憶阻器（nsv=6.5×1013cm-2）的log(I)與T-1/4的關系圖。
(H)模擬的單晶h-BN憶阻器set/reset電壓與nsv的依賴關系。實驗結果在曲線上標出。
(I)LRS電阻與nsv之間的關系。實驗結果在曲線上標出。
(A-C) nsv從2.0×1013cm-2到9.4×1013cm-2的h-BN憶阻器的SJEM圖像（有效器件面積為3×3um，比例尺代表500nm）及其對應的高度輪廓曲線。
(D和E) nsv為2.0×1013cm-2和6.5×1013cm-2的單晶h-BN憶阻器中細絲路徑的示意圖。
(F) nsv大于9.4×1013cm-2時的細絲路徑示意圖，表明形成了大尺寸通道。
(G)在不同溫度下h-BN憶阻器（nsv=6.5×1013cm-2）的log(I)與T-1/4的關系圖。
(H)模擬的單晶h-BN憶阻器set/reset電壓與nsv的依賴關系。實驗結果在曲線上標出。
(I)LRS電阻與nsv之間的關系。實驗結果在曲線上標出。
圖3.非易失性h-BN基憶阻器（nsv=8.8×1013cm-2）中的超低工作電壓。
(A) Icc為0.1mA時，3×3um Ag/h-BN/Au非易失性憶阻器在80個連續(xù)周期中的代表性I-V特性。
(B)set和reset電壓的分位數-分位數（Quantile-quantile）圖。工作電壓的實驗值與期望值一致，表明工作電壓呈正態(tài)分布。
(C)HRS和LRS的累積概率分布。
(D)h-BN憶阻器的耐久性性能。
(E)讀電壓為5mV時h-BN憶阻器的保持力性能。由五角星連接的虛線代表每100秒的憶阻器電阻，表明在測試期間阻變沒有損失。
(F)脈沖set/reset特征。施加0.4V的脈沖set電壓200ns后，憶阻器從HRS切換到LRS。
(G)亞450mV區(qū)域內非易失性雙極性憶阻器的開關比與set電壓的基準比較圖。
該單晶h-BN憶阻器展現出了極其卓越的綜合性能指標。在優(yōu)化的缺陷密度下，器件的設定（Set）和復位（Reset）電壓分別低至創(chuàng)紀錄的26mV和-135mV。在維持超低驅動電壓的同時，器件表現出出色的能量效率，每次狀態(tài)轉換僅消耗72pJ能量，待機功耗更是低至4fW。尤為難得的是，即使在10nA的極低順從電流下（單次轉換功耗僅900pW），該器件依然能夠保持穩(wěn)定的非易失性和多阻態(tài)開關特性，開關比高達10⁸。
這項研究通過巧妙的晶體缺陷工程突破了材料學的底層限制，證明了單晶二維介電材料在調控細絲生長動力學方面的優(yōu)勢。其超低功耗與高穩(wěn)定性的完美結合，為未來開發(fā)超高密度存儲器、高能效神經形態(tài)計算芯片、邊緣傳感陣列以及與現代CMOS工藝兼容的超低功耗物聯網（IoT）節(jié)點奠定了技術基礎。
【相關論文】
✽Kang, Y., Zhai, X., Yang, Q., Qiao, B., Bian, Z., Chen, H., Hu, H., Xu, Y., Tian, M., Wan, N., Chen, W., Chai, Y., Zhao, Y., & Yu, B. (2025). Conductive dendrite engineering of single-crystalline two-dimensional dielectric memristors. The Innovation, 6(2), 100885. https://doi.org/10.1016/j.xinn.2025.100885
(A) Icc為0.1mA時，3×3um Ag/h-BN/Au非易失性憶阻器在80個連續(xù)周期中的代表性I-V特性。
(B)set和reset電壓的分位數-分位數（Quantile-quantile）圖。工作電壓的實驗值與期望值一致，表明工作電壓呈正態(tài)分布。
(C)HRS和LRS的累積概率分布。
(D)h-BN憶阻器的耐久性性能。
(E)讀電壓為5mV時h-BN憶阻器的保持力性能。由五角星連接的虛線代表每100秒的憶阻器電阻，表明在測試期間阻變沒有損失。
(F)脈沖set/reset特征。施加0.4V的脈沖set電壓200ns后，憶阻器從HRS切換到LRS。
(G)亞450mV區(qū)域內非易失性雙極性憶阻器的開關比與set電壓的基準比較圖。
該單晶h-BN憶阻器展現出了極其卓越的綜合性能指標。在優(yōu)化的缺陷密度下，器件的設定（Set）和復位（Reset）電壓分別低至創(chuàng)紀錄的26mV和-135mV。在維持超低驅動電壓的同時，器件表現出出色的能量效率，每次狀態(tài)轉換僅消耗72pJ能量，待機功耗更是低至4fW。尤為難得的是，即使在10nA的極低順從電流下（單次轉換功耗僅900pW），該器件依然能夠保持穩(wěn)定的非易失性和多阻態(tài)開關特性，開關比高達10⁸。
這項研究通過巧妙的晶體缺陷工程突破了材料學的底層限制，證明了單晶二維介電材料在調控細絲生長動力學方面的優(yōu)勢。其超低功耗與高穩(wěn)定性的完美結合，為未來開發(fā)超高密度存儲器、高能效神經形態(tài)計算芯片、邊緣傳感陣列以及與現代CMOS工藝兼容的超低功耗物聯網（IoT）節(jié)點奠定了技術基礎。
【相關論文】
✽Kang, Y., Zhai, X., Yang, Q., Qiao, B., Bian, Z., Chen, H., Hu, H., Xu, Y., Tian, M., Wan, N., Chen, W., Chai, Y., Zhao, Y., & Yu, B. (2025). Conductive dendrite engineering of single-crystalline two-dimensional dielectric memristors. The Innovation, 6(2), 100885. https://doi.org/10.1016/j.xinn.2025.100885
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