通过界面工程提升氧化钽忆阻器的性能，以实现高线性度的图像处理应用

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhancing Tantalum Oxide Memristors via Interface Engineering for High-Linearity Image Processing Applications

【字体：大中小】 时间：2026年02月21日 来源：Journal of Alloys and Compounds 6.3

编辑推荐：

　　本研究通过电极- Ta?O? 界面调制优化了 Ta?O? 基忆阻器的性能，发现氧吸收界面能稳定调节氧空位浓度和离子迁移，显著提高长期 potentiation 的线性。实验验证了该结构作为卷积核权重替换在图像去噪、亮度反转等任务中的可行性，并探讨了 CMOS 兼容性，为神经形态计算应用提供支持。

王玉成|孟家毅|吕正琦|段伟勤|严成瑞|张文毅|郭定云|刘一曦|王绍曦

西北工业大学深圳研究院，中国深圳 518507

摘要

氧化钽忆阻器由于具有类似于生物突触的优异突触可塑性，在神经形态计算中具有重要意义，但其长期增强效应（LTP）的低线性降低了突触更新的准确性，并影响了图像处理质量。为了解决这个问题，本研究通过使用具有不同界面特性的电极，研究了基于Ta₂O₅的忆阻器的界面调制。通过控制界面化学反应，系统地分析了不同电极与电阻切换层之间形成的厌氧、吸氧和供氧界面对氧空位浓度和离子迁移的影响。这些发现进一步被用于开发一种界面工程策略，以提高长期增强效应的特性线性。其中，吸氧界面与切换层形成稳定的三明治结构，更有效地调节氧空位，从而显著改善了离子迁移和电阻切换的有序性，提高了长期增强效应的特性线性。此外，选择了具有吸氧界面的Ta₂O₅忆阻器用于图像识别应用。通过使用其导电性来替代卷积运算中的权重，我们成功实现了图像去噪、亮度反转和边缘检测，从而验证了权重替代的可行性。同时，还探讨了所选电极界面的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容性及潜在的材料权衡。这些结果为未来的集成工作提供了宝贵的信息，并为推进忆阻器技术在图像处理领域的应用提供了有力支持。

引言

在数字时代，图像处理至关重要。它在医学成像诊断、自动驾驶的视觉识别以及安全监控等多个领域发挥着关键作用[1]、[2]、[3]，并促进了各个行业的智能化发展。随着图像处理复杂性的增加，计算机系统在这方面消耗了大量资源。此外，基于互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管的图像处理器也难以突破其物理限制，导致集成密度提升受限。相比之下，忆阻器凭借其独特的固有特性，能够在小体积内实现大规模并行计算和存储，并且功耗低，从而有效提高了图像处理任务的计算吞吐量和能源效率[4]。作为一种高度创新的电子元件，忆阻器具有可变电阻特性，其行为模式与生物神经元突触非常相似，可以实现存储和计算的集成。它被视为冯·诺依曼架构的有力替代方案。特别是在处理大量数据和复杂计算任务时，它可以有效提高计算效率并降低能耗[5]。卷积运算作为图像处理的核心操作，广泛应用于噪声降低、边缘检测和图像亮度转换等任务中。忆阻器阵列可以用作卷积核。通过调节导电性来模拟卷积核的权重，输入图像被转换为电压格式，然后利用欧姆定律和基尔霍夫电流定律实现卷积计算。与传统卷积运算相比，这种方法使图像处理过程中的乘法和加法运算更加高效，响应速度可达到纳秒级别[6]。

忆阻器的电阻切换层材料主要包括钙钛矿材料[7]、有机材料[8]、二维（2D）材料[9]和二元氧化物[10]。钙钛矿具有独特的光电特性、可调的多数载流子浓度以及缓慢的光电导衰减，作为下一代神经形态忆阻器的材料具有巨大潜力。然而，仍需解决某些挑战，例如提高其与CMOS工艺的兼容性，以实现其实际应用[11]。天然有机材料丰富且可再生，为构建新兴神经形态计算系统中的人工突触设备提供了优异的潜力[12]。不过，某些问题如易降解性和有限的热稳定性仍需改进，以在苛刻条件下保证设备的可靠性能。2D忆阻器具有高性能的电阻切换特性，包括高开/关比（低电阻状态下的电流与高电阻状态下的电流之比）、低阈值电压、优异的保持性和耐久性以及快速的切换速度[13]。然而，由于制备要求相对复杂，二维材料的制备仍面临挑战。此外，某些2D材料可能对湿度、氧化和化学暴露等环境因素敏感，这会影响其长期稳定性。

目前，由二元氧化物（如TiO_x [14]、HfO_x [15]和TaO_x [16]）制成的电阻切换层在忆阻器研究中占据重要地位，因为它们组成简单、稳定性高且与传统CMOS工艺兼容性好。其中，TaO_x因其操作速度低于纳秒级（ns）和超过10¹⁰次的耐用性而成为最有前景的二元氧化物之一[17]。S. Rajasekaran等人制造的柔性透明TaO_x/AlN忆阻器表现出超过10?次的优异耐久性和两个数量级的切换比，并在高温条件下保持稳定的非挥发性[18]。D. Kumar等人报道了一种ITO/TaO_x/ZTO/ITO器件，具有增强的耐久性、改进的切换比和高光学透明度[19]。此外，M. Zhu等人开发的Pt/TaO_x/TiO_y/Ti忆阻器表现出可靠的多级存储能力，切换比范围为40至660，并在200次循环后仍能稳定运行[20]。

当使用忆阻器的导电性来替代卷积核的权重时，要求忆阻器能够准确识别输入脉冲并提供相应的输出。因此，它们的脉冲响应需要具有良好的线性[21]。然而，忆阻器在这方面的问题仍亟待解决。此外，忆阻器的物理机制尚未完全阐明。特别是在离子迁移、电荷传输和导电细丝形成等关键过程中，存在许多未知因素，这对进一步优化忆阻器的性能和提高其长期稳定性构成了巨大挑战[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。基于这些见解，最近的研究表明，电极与电阻切换层之间的界面化学相互作用在决定忆阻器行为线性方面起着关键作用[27]。化学惰性电极与氧化物层形成稳定的界面，几乎不吸收氧离子[28]，而更具反应性的金属则倾向于从氧化物中提取氧，形成影响切换动态的界面亚氧化物和氧空位[29]。另一方面，氧化物电极通常作为氧的供应源，与切换层形成富氧界面[30]。这些发现强调了界面调制作为从材料工程角度进一步提高忆阻器线性的有前景策略。然而，目前已有几项研究系统地研究了不同界面对线性的具体影响。合理推测，通过阐明涉及的物理机制并合理利用界面调制，有望优化离子迁移，提高长期增强效应（LTP）的线性，并进一步促进忆阻器性能的提升和应用发展。

本研究聚焦于基于氧化钽的忆阻器，并通过创新的界面调制来优化其性能。分别选择Au、Ti和ITO作为顶层电极，与Ta₂O₅形成厌氧、吸氧和供氧界面。以氧空位浓度的变化为主要研究目标，利用电热耦合模拟对忆阻器在不同忆阻曲线下的内部氧空位浓度变化进行了建模。通过研究不同界面的特性，彻底分析了它们对氧空位浓度和离子迁移的影响机制。此外，还探讨了短期可塑性（STM）、长期可塑性（LTM）以及尖峰电压依赖的可塑性和尖峰速率依赖的可塑性（SRDP和SVDP）。然后，模拟了从STM到LTM的转变过程，并与其他两种界面忆阻器的突触可塑性进行了比较。最后，Ti/Ta₂O₅/W忆阻器的导电值被用来替代卷积核的权重，实现了图像去噪、亮度反转和边缘检测等功能，从而验证了权重替代概念的可行性。这项工作为通过界面工程提高忆阻器线性提供了理论见解和实验验证，为它们在高精度图像处理任务中的可靠应用奠定了基础。