納流體憶阻器在神經網絡應用中電學測試

文/李昕澤

1 憶阻器概述

憶阻器是一種非線性的兩端器件，最早的概念是由華裔科學家蔡少棠在 1971 年提出。根據蔡提出的數學關系表達式，憶阻器有以下特點：憶阻器的電阻大小不是恒定不變的，取決于之前流過器件的電流大小。這種器件能夠記錄它之前流過的電流大小，因此它具有非易失性特點。當停止給器件供電，憶阻器可以記錄下當前的阻值狀態。它獨特的 I-V 特性曲線和阻值變化使它成為未來計算和存儲系統很重要的元器件。相對于SRAM和 SRAM, 它的非易失性，低功耗和大開關速率具有很大的替代優勢。另外，由于它的易失性，憶阻器也可以作為閃存的存儲單元使用。憶阻器的提出和發現為實現非馮諾依曼計算體系的實現提供可能。此外，由于憶阻器的各種特點，憶阻器可以模擬生物突觸的行為例如長程激發（LTP）,長程抑制（LTD）,短程激發，短程抑制和脈沖時序可塑性（STDP）?？茖W家們現在致力于使用憶阻系統實現類腦計算，使機器像人腦一樣工作。由于憶阻器的特殊性質，它的應用非常廣泛。

2 憶阻器原理

根據最開始蔡少棠教授在 1971 年最原始的定義，憶阻器是被稱為第四種最基本的無源電子元件（其他三種分別是電阻，電容，電感）。四種器件的微分形式定義及關系如下圖所示。憶阻器最基本的數學定義方程如下：

圖1：泰克4200A-SCS半導體特性測試儀

其中w是器件的狀態變量，R是器件的電阻，阻值大小主要取決于器件的內部狀態。這種情況下的狀態變量僅僅指的是電荷量，但是沒有哪種真實物理模型能夠滿足這個方程條件。在 1976 年 Chua 和 Kang 推廣了憶阻器的概念，即更廣泛的非線性動態系統可以成為憶阻系統，通過方程描述如下：

其中R和f都是時間的變量。

3 納流憶阻器特性測試及熒光表征

納流體憶阻器是一種基于納米溝道的流體型納米器件，普通的半導體器件測試系統不能滿足其電學特性測試的需求。因此本文設計了一種適用于納流體憶阻器電學特性測試的系統。測試系統實物圖如圖1所示,測試系統主要由半導體特性測試儀（泰克4200A-SCS和安捷倫B1500A），帶有鱷魚夾的三同軸屏蔽線，Ag/AgCl參比電極，電磁屏蔽盒等組成。

3.1 半導體特性測試儀

本文使用的半導體特性測試儀是泰克4200A-SCS和安捷倫B1500A。其中主要使用4200A的SMU(源測量單元)對納流體憶阻器的I-V特性和I-t特性進行測試，儀器實物圖如圖1所示。而主要使用安捷倫B1500A的脈沖測量單元對納流體憶阻器的脈沖響應特性進行測試，如圖2所示。

泰克4200A-SCS的源測量單元主要性能指標如下：

（1）±210V/100mA或±210V/1A模塊；

（2）100fA測量分辨率；

（3）選配前端放大器提供了10nA測量分辨率；

圖2：安捷倫B1500A半導體特性測試儀

（4）10mHz-10Hz超低頻率電容測量；

（5）四象限操作；

（6）2線或4線連接。

由于本納流體憶阻器的測試電流是nA級,因此該測試單元滿足測試需求。

B1500A的脈沖測量單元主要性能指標如下：

（1）高達±40V的高壓輸出適用于非易失性存儲器測試；

（2）單通道的兩級和三級脈沖功能；

（3）靈活的任意波形生成，分辨率為10ns（任意線性波形生成功能）；

（4）每個模塊兩個通道。

納流體憶阻的脈沖響應脈寬在ms級，電壓幅值在±10V左右。因此B1500A的脈沖測量單元滿足測試需求。

3.2 屏蔽線

本測試系統屏蔽線主要作用時引出半導體特性測試儀中的信號，并屏蔽外界信號的干擾。

3.3 Ag/AgCl參比電極

Ag/AgCl參比電極一種在電化學領域比較常用的參比電極,實物圖如3所示。電極用作氧化還原電極，氧化還原平衡反應發生在Ag和AgCl之間，這個反應具有快速得電極動力學特點，氧化還原得效率為100%，電極可以通過很大的電流。同時此電極在高溫高壓的水溶液中溶解度很好，具有非常高的穩定型，即使電極附近發生了氧化還原反應，電極表面也會保護得很好，因此在電化學測試過程中電勢穩定，電學重現性好，不會對待測溶液體系產生影響。本文使用的Ag/ACl參比電極的直徑是1mm。

4 納流體憶阻器電學特性測試結果及分析

搭建好測試設備后，分別將KCl溶液和離子液體注入到納流體器件的兩端，然后測試納流體憶阻器的基本電學特性：I-V特性曲線，如圖4所示。

這里采用的電壓掃描范圍是-20V到+20V，掃描電壓步長是0.5V,每個步長的延遲時間是2s，其中圖中的紅線表示只加入KCl溶液到器件中，這時候器件的電導非常大，而圖中的深灰色線表示只加入離子液體，這時候器件的電導很小，中間幾條遲滯回線是一端加入離子液體而另一端加入不同濃度的KCl溶液，這個充分說明加入兩種不同的溶液可以調控器件的電導，而且遲滯現象非常明顯。進一步觀察圖中幾個濃度條件下的遲滯回線，我們可以看到KCl溶液的濃度在100mM的時候遲滯回線的窗口最大。為了量化觀察不同濃度KCl溶液在器件中的表現，我們提取圖4最高阻態和最低阻態的數據作出圖5。

通過圖5中所示，可以清晰的看到在不同濃度下，器件的高低阻態的差別，也就是憶阻器開關比的差別，這個可以更直觀地看到100mM KCl溶液注入到器件中可以獲得最大的開關比。影響開關比大小的因素有幾個：

（1）盡管濃度最大的KCl溶液可以使器件的理論最大值和論最小值達到最大，但是這種情況下相同電壓幅值對電導的調節能力變弱，使得器件要達到最大開關比需要更大的工作電壓。這是由于高濃度的KCl溶液的雙電荷層厚度變小，電壓調節器件中液面位置的能力變差；

（2）KCl溶液濃度小得時候，雙電荷層厚度大，但是器件的理論最大電導和最小電導的差距比較小，因此反應到圖中高低阻態的間隔比較小。這種物理機制將在后面的第四章數學建模部分會做詳細的分析。通過對電學測試結果進行分析，我們推斷納米溝道兩種溶液在不同電場方向下的離子移動行為。

5 總結

本論文主要介紹使用半導體特性測試儀對納流體憶阻器進行電學特性測試，同時引入熒光表征的方法表征納流體器件的工作機制。首先仿照電化學領域的方法搭建測試平臺，然后使用傳統測試憶阻器的方法對納流體憶阻器進行電學測試，獲得 I-V 特性曲線，脈沖響應曲線和器件保持特性曲線。接著使用熒光顯微鏡和電學測試設備同時使用，搭建一套基于時間關系的電學驅動熒光顯微平臺，通過實時監測熒光在納米溝道中的變化，驗證了納流體憶阻器界面移動的推測。

圖3：Ag/AgCl參比電極實物圖

圖4：不同KCl溶液濃度的I-V特性曲線，電壓范圍-20V到+20V

圖5：不同濃度KCl溶液納流體憶阻器高低阻態的電導差距