1.简介
随着信息时代的快速发展，互联网、人工智能（AI）、大数据等领域得到了显著发展，带来了各类数据的爆炸性增长。然而，数据量越来越大，对硬件算法的要求也越来越高；现有手段难以满足此类数据密集型应用程序的需求。传统计算机使用冯·诺依曼体系结构，将存储和计算分开；CPU在执行命令时必须首先从存储单元读取数据，然后将计算结果保存回存储单元。CPU和内存之间的重复数据传输将导致高延迟和巨大的功耗，CPU的数据处理速度发展越来越快，但内存的数据访问速度滞后。这种内存瓶颈使得高性能CPU难以发挥应有的作用，从而限制了整体计算效率的提高，并导致冯·诺依曼瓶颈和“内存墙”的出现。与基于传统冯·诺依曼体系结构的计算机不同，人脑的神经系统利用神经元和突触活动同时处理和存储信息，两者之间没有明确的界限。另一方面，人脑的神经形态结构具有并行性、自适应性和自学习性的特点[1]有利于处理日益庞大的数据处理需求。这使得在自动驾驶、图像识别和人工智能等领域的广泛应用成为可能。在模拟神经元和突触的各种器件中，忆阻器因能很好地模拟突触特性而备受青睐，具有广阔的应用前景。 1971年，加州大学伯克利分校的蔡教授首次提出将忆阻器作为第四类初级源电路元件，从电路理论完备性的角度来表征电荷和磁通量之间的关系。他们被命名为“记忆电阻器”[2]. 忆阻器是一种非线性电阻器，其电阻可随流经它的电流和电压而变化，并可根据所施加的电信号在至少两种稳定电阻状态之间进行可逆切换。然而，自该理论提出以来的三十年里，对忆阻器的研究更多地集中在忆阻的基本理论上，在器件实现方面没有太大进展。2008年，HP实验室的Strukov等人准备了一个Pt/TiO2/铂堆叠器件，使用电压扫描显示具有电阻开关特性的滞后回路[三]，演示了忆阻器的真正实际实现，以及通过存在滞后回路来确定其是否为忆阻的可能性。 忆阻器的一个重要应用是作为一种新型的非易失性存储器，即电阻式随机存取存储器（RRAM），因为它具有独特的忆阻特性。与其他传统存储器相比，电阻变化存储器的存储密度可与Flash媲美，操作速度可与DRAM媲美，并且还具有低功耗和非易失性。此外，神经网络中的突触可以通过在突触前和突触后神经元之间传递神经递质来改变突触权重，而记忆电阻器通过向顶部和底部电极施加偏置电压来调节设备的电导值。该器件的电导值和突触权重相互对应，并相互转换，使忆阻器可以完美地模拟突触功能。利用这种新型存储设备可以在执行计算的同时实现数据存储，这意味着存储和计算的集成，从根本上消除了所谓的内存瓶颈。基于此，更多的研究小组开始从事神经形态计算中忆阻器的研究，并取得了一些突破[4,5,6]. 存储设备的常见结构是由金属/绝缘层/金属组成的“三明治”结构，这是一种垂直堆叠结构，即具有电阻开关效应的功能层夹在两层金属或其他电极材料之间。此外，忆阻器还有一种水平结构，这在二维材料的应用中很常见。装置电极水平布置在功能层的表面上。由于2D材料中缺陷的迁移或结构相变[7,8]，该设备将产生电阻开关。特别是，在水平忆阻器中，功能层通常直接暴露，因此很容易进行原位测量。然而，对于具有三维钙钛矿结构的拓扑相变材料，器件基本上以垂直堆叠结构为主。 忆阻器的功能层通常是电阻较大的绝缘体。各种类型的电极材料和功能层材料共同影响着器件的电阻开关机制和电阻开关性能。用于忆阻器的功能层材料通常分为两种主要类型，即有机材料和无机材料。有机功能层材料具有较高的成本和较简单的制备工艺；无机材料主要包括硫属化合物、二元氧化物和复合氧化物。目前，二元金属氧化物是应用最广泛的，如HfOx个[9,10,11]，二氧化钛x个[12,13,14]和AlOx个[15,16,17]其电阻开关行为主要取决于氧化物中氧空位导电丝（CF）的形成和断裂，并且具有低功耗和与CMOS工艺兼容的特点，因此在工业生产中具有广阔的潜力。研究发现，许多钙钛矿型氧化物材料还具有非挥发性、低功耗、快速开关速度和优良的忆阻特性，可以很好地应用于忆阻器领域。尤其是钙钛矿结构拓扑过渡材料，由于其独特的拓扑相变特性以及清晰可控的电阻开关机制，引起了研究人员的广泛关注。本文主要讨论了拓扑相变材料的研究进展，包括电阻开关机制、电阻开关性能调节以及拓扑相变忆阻器在神经网络中的应用。最后，指出了拓扑相变忆阻器的发展趋势和潜在应用前景。 2.拓扑相变忆阻器中的电阻开关行为
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拓扑相变材料
众所周知，在钙钛矿材料中，氧化学计量比的变化会对材料的结构和性能产生重大影响。其中，氧中的非化学计量可导致结构内氧空位的形成，为氧离子提供快速迁移路径。这导致了一些有趣的特性的出现，例如材料在高温下的导电性和氧离子迁移率的显著变化。这些特性展示了在能源和信息存储等领域的潜在应用。
钙钛矿结构过渡金属氧化物（TMO）由于其快速、各向异性的氧离子传输特性而受到广泛关注。其中，最典型的结构是具有拓扑相变性质的钙钛矿结构，称为棕云母（BM）结构。术语“拓扑相变材料”是指当提取其部分组成元素时晶格对称性发生畸变的材料。然而，如果尽管存在这种变形，但材料的整体框架保持稳定，则该材料被称为拓扑相变材料。
常见的拓扑相变金属氧化物（TMO）材料包括铁基材料（例如SrFeOx个（证监会）[18])钴基材料（例如LaCoOx个[19,20]、SrCoOx个（上海合作组织）[21,22]和La1倍高级x个首席运营官x个[23,24])和基于锰的材料（例如，Lax个高级1倍二氧化锰x个[25,26]和SrMnOx个[27,28]). 通常，材料中氧空位的可控安排可以通过在高温真空（或氧气）气氛中退火等方法实现[29]，离子液体浇口[30]和电子束辐照[31]. 这些方法导致富氧和缺氧状态之间的可逆转变。值得注意的是，锶铁氧体（SrFeOx个)和钴酸锶（SrCoOx个)表现出较高的氧迁移速率，并且它们在从棕云母（BM）到钙钛矿（PV）相的拓扑相变中的吉布斯自由能差异小于其他TMO材料[32]这使得低温相变成为可能。此外，SrCoOx个与其他钙钛矿材料相比，理论上具有最低的过电位[33]有利于氧气析出反应[34]. 因此，人们普遍认为SrFeOx个和SrCoOx个具有重要的实际应用前景。 在SrFeO中x个系统中，SrFeO之间发生可逆转变2。5（BM-SFO）棕千枚岩相和SrFeO三（PV-SFO）钙钛矿相，通过获得或损失一部分氧气。在室温下，SFO的晶体结构和能带结构如图所示图1BM-SFO的晶体结构由交替的FeO组成4四面体和FeO6八面体，而PV-SFO仅由堆叠的FeO组成6八面体。除了晶体结构外，BM-SFO和PV-SFO的能带结构也存在显著差异。在BM-SFO中，价带由O 2p轨道组成，导带由Fe 3d轨道形成。电荷转移能量为正，导致2 eV带隙，将BM相归类为绝缘状态[35,36]. 在BM-SFO中引入氧离子后，Fe3+转化为铁4+，材料变成PV相。一个来自O 2p轨道的电子被转移到Fe 3d轨道，在带隙中间留下一个未填充的O 2p态。这形成空穴状态，导致负电荷转移能，因此PV-SFO成为导电相。值得注意的是，铁4+PV-SFO中没有显示简单的d4配置；相反，它需要一个d5L配置（其中L代表配体孔），与d非常相似5铁的构型3+在BM-SFO中，这可能有助于两个拓扑相位之间的转换[37,38]. 小吉布斯自由能差、负电荷转移能和低氧空位形成能的结合使SFO成为多功能器件应用的潜在候选材料。 在实际应用中，为了更好地控制基于SFO的电阻开关器件的性能，必须实现SFO功能层的外延生长，这有助于避免由于实验条件而引入不可控缺陷。因此，SFO的制备通常采用脉冲激光沉积（PLD）技术。此外，其他具有拓扑相变特性的钙钛矿材料也引起了众多研究人员的关注。例如，La0.7高级0.3二氧化锰三具有钙钛矿结构，在特定条件下可以发生可逆拓扑相变。然而，其绝缘BM相表现出很强的氧亲和力，向导电PV相的过渡不一定需要富氧条件。这与钴基和铁基TMO形成对比，突出了其在固体氧化物燃料电池或氧传感器中的潜在应用[40]. 在下文中，我们将讨论基于这些多组分钙钛矿型拓扑相变材料的电阻开关器件的研究进展。 - (2)
拓扑相变忆阻器中电阻开关效应的研究
一般来说，忆阻器的传导机制可大致分为电化学金属化机制（ECM）、价态变化机制（VCM）、热化学机制（TCM）和纯电子效应。对于钙钛矿结构拓扑相变材料，如前面对其晶体结构和能带特性的解释所述，在室温下对拓扑相变材料施加正或负偏压（取SrFeOx个和SrCoOx个例如）导致氧离子在材料内的积聚（或排斥）从而导致富氧导电区域（或缺氧绝缘区域）的形成并因此在功能层中形成非金属CF。这一过程导致构成VCM的金属元素的价态发生变化。
特别是，当电极和功能层之间存在肖特基势垒时，氧离子（或氧空位）的聚集或排斥行为导致界面势垒高度的变化，从而影响器件的电阻开关效应。当功能层中存在BM或PV层时，观察到另一种现象。施加电压后，BM或PV层的整个界面发生移动，导致器件电阻发生变化。基于这种导电机制表现出电阻开关效应的器件被称为接口型忆阻器。因此，拓扑相变忆阻器主要可分为丝状和接口型器件。在接下来的部分中，我们将重点介绍这两类器件的电阻开关效应和相关研究进展。
事实上，研究人员很早就开始研究钴基和铁基TMO材料。早在2011年，研究小组就对上合组织材料进行了调查[41]尽管当时的焦点主要集中在SCO的磁性，而较少关注材料拓扑相变引起的电性变化。2013年，Jeen等人[42]利用PLD沉积BM-SCO和SrCoO3−δ（001）取向SrTiO薄膜三（STO）和（001）定向（LaAlO三)0.3–（SrAl）0.5助教0.5O（运行）三)0.7（LSAT）基板。他们发现，在显著降低的温度（200–300°C）下，这两个相可以在一分钟内发生快速可逆的转变。这种低温快速可逆转变是由于两相之间的吉布斯自由能差较低。他们进一步介绍了一种新的离子材料SCO，该材料可能会应用于信息存储领域。 到2014年，Tambunan等人[43]通过PLD，制备SrRuO三钛酸锶（SrTiO）上的底部电极和BM-SCO功能层三)基底。他们用方形金（Au）顶部电极（Au/BM-SCO/SrRuO）制造了器件三/锶钛氧化物三（001））使用光刻和电子束蒸发技术。装置的横截面透射电子显微镜（TEM）观察显示，功能层和电极之间的界面相对光滑，如所示图2a.随后，他们在0 V→2.5 V→0 V→-2.5 V→0 V的电压扫描范围内测试了器件的I–V特性。I–V特性曲线显示在图2b、 演示了器件的双极电阻开关行为，其中电阻开关与扫描电压的大小和极性有关。初始扫描期间需要初始成型过程。当电压达到五设置，器件从高电阻状态（HRS）过渡到低电阻状态（LRS）。当电压反向至五重置在电压扫描期间，设备从LRS恢复到HRS。值得注意的是，他们发现五成形比五设置反映了非常规CF形成过程。此外，该装置还具有一定的抗疲劳和保持特性。此外，通过改变顶部电极的尺寸，他们观察到高电阻和低电阻的变化以及高电阻和低电阻值随温度的变化。他们发现LRS中的电阻开关单元由BM-SCO和PV-SCO相的混合物组成。从BM-SCO到Mix-SCO的转变表现出局部的双极电阻开关行为，这归因于SCO的相变效应。 研究人员为上合组织内部CF机制建立了相应的模型，如图2c.在初始状态下，功能层中不存在CF，使设备处于绝缘状态。在施加成形电压时，器件经历软击穿操作，导致在其内部出现某些CF，连接顶部和底部电极。因此，装置的电阻突然降低。当电压扫描到负极时，在功能层内形成CF的氧离子被排斥并向SrRuO迁移三底部电极，导致CF破裂。然后，该装置的电阻突然增加，留下大量CoO4在先前形成的CF位置的四面体簇，导致器件返回HRS。此时，器件的电阻低于其初始电阻（因为功能层中的CF尚未完全消失）。如果电压再次扫描到正极，与最初的情况相比，氧离子只需要填充一层CoO4四面体，需要更大的正电压来吸引更多的氧离子来填充增加的CoO数量4四面体，形成垂直CFs，导致五设置比五成形在随后的电压扫描过程中，设备开始在LRS和HRS之间切换，然后实现电阻切换。 该报告标志着首次引入基于CF机制的拓扑相变忆阻器。它的结构是一个简单的“三明治”结构，制造过程并不复杂。在以前的报告中，PLD技术已广泛用于复杂复合材料的表面沉积。该技术显示出许多优点，包括精确的薄膜组成、高沉积速率、良好的薄膜质量和高均匀性。因此，许多研究人员采用PLD技术沉积拓扑相变TMO材料[44,45,46]. 阿查里亚和纳拉加特拉[47]对SFO进行了类似研究。他们制造了Au/SrFeOx个/SrRuO公司三/锶钛氧化物三（100）忆阻器件，如图2d.这些设备的I-V特性与图2a、 展示更小的双极电阻开关五F类比五S公司这种独特的电阻开关行为可以用类似于图2c.不同之处在于提高了这些装置的稳定性。如所示图2e、 在初始成形过程之后，器件表现出良好的循环稳定性，允许高电阻到低电阻循环长达1000次。这与早期的SCO设备形成对比，后者只能循环约30次。Acharya将这种差异归因于这样一个事实，即所制备的SCO薄膜不能保证其表面的原子级平整度。因此，顶部电极附近许多局部厚度最小的区域可能优先形成CF，导致CF路径不均匀。在这项工作中，外延SFO薄膜可以在原子水平的平面上生长，如所示图2f、 提高了器件的均匀性。 通过上述讨论，我们可以理解，对于SCO或SFO等拓扑相变材料，忆阻器通过在器件电极上施加电刺激来控制功能层内氧离子的迁移，从而实现电阻开关。一个特征是当电压达到过渡阈值时，在I–V滞后回路中观察到电阻的突然变化。这对应于功能层内CF的形成或破裂。然而，从以前的研究来看，缺乏CFs存在的直接证据，只有一些间接迹象表明它们可能存在。例如，这些指示包括检查电阻率和温度之间的关系，以推断薄膜的成分，或改变电极的尺寸，以识别指示丝状器件的效果（其中电极尺寸对高电阻值的影响大于低电阻值）。因此，寻求确证CF存在的切实证据已成为越来越多研究人员关注的焦点。
直到2019年，Tian等人[48]设计了一种简单的Pt/BM-SFO/SRO装置，并直接观察到了CFs的存在。测试其I–V特性时，该器件最初处于绝缘状态，需要形成电压才能进行软击穿。值得注意的是，该形成电压具有负极性，并且|五重置| < |五设置| < |五成形|. 向电极施加正电压后，可以很容易地观察到电阻的明显变化，表明此时CF破裂。为了提供CFs存在的直接证据，研究人员使用了畸变校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）来检查不同状态（LRS和HRS）下的SFO薄膜。如所示图3a、 b，可以观察到形成的CF从铂电极向底部电极延伸，这与负极性形成的结果一致。当受到−|五成形|，周围空气中的氧气被吸入功能层，最初填充顶部电极附近BM-SFO中的氧空位，然后逐渐向底部扩散，形成PV相CF。值得注意的是，在LRS中，CF并没有像之前设想的那样在顶部和底部电极之间建立完整的连接，相反，CF和底部电极间存在6.6 nm的BM-SFO间隙。这种间隙可能是由于BM-SFO的不完全绝缘造成的，使其无法承受足够高的电压，从而导致其向PV相过渡。作者随后进行的机械拟合表明存在肖特基势垒（ΦB类)底部电极和CF之间，其高度与BM-SFO间隙的宽度相关。当宽度较窄时，势垒高度较低，允许电子轻松克服势垒，从而使BM-SFO间隙的绝缘性降低。因此，设备整体上保持导电。随着间隙宽度的增加，ΦB类也会增加，导致电子穿过间隙并遇到陷阱，从而强调了跳跃传导的优势。 随后，Tian等人设计了Au/SrFeOx个/SrRuO公司三基于纳米级PV-CF（约10 nm）的纳米器件，在薄膜上沉积纳米级三角形金属电极，如所示图2e.测试表明，这些器件表现出极好的均匀性，开关比达到104大大超过大型设备。此外，这些设备的耐用性超过107循环。这些优势可能归因于纳米器件单元内的CF数量较少，这在很大程度上缓解了多个CF不完全破裂所产生的问题，导致低电阻和低稳定性。通过对纳米级记忆器件的研究表明，SFO材料在高密度信息存储器件方面具有巨大的潜力。 总之，我们可以从上述讨论中推断，使用透射电子显微镜可以帮助区分BM相的超晶格结构和PV相的典型钙钛矿结构，这可以提高基于钙钛矿结构的TMO拓扑相变忆阻器导电机理的清晰度。这种区别也突出了这种材料与传统二元氧化物的区别。目前，一些二值和三值TMO忆阻器已经实现了良好的电阻开关性能。例如，在不对称TaO的研究中x个电阻开关器件，Lee等人[49]发现非对称器件具有较低的SET电压（~1V）、较高的开关速度（~10ns）和超高的耐久性（>1012这为记忆电阻器的高密度集成提供了良好的参考。此外，在基于ZnO的研究中x个记忆电阻器，Yang等人[50]发现该设备的SET电压较低（~1V），开/关比率较大（~107)，非常高的开关速度（~5ns）和超长的保持时间（>107s） 显示了一个超快且高度可扩展的内存元素。对于三元TMO的研究，Nili等人[51]报道了一种基于非晶SrTiO的记忆器件三该器件具有非易失性双极电阻开关特性，开关比非常高（10三–104)和良好的耐力（>106循环），展示了非晶钙钛矿型忆阻器在忆阻系统中的前景。 然而，传统的二元金属氧化物，如AlOx个和TiOx个由于制造工艺的限制，薄膜中的固有缺陷经常分布不均匀[52]导致器件中氧空位丝的随机形成和断裂，影响其均匀性[53]. 此外，除了一些基于由银和铜等金属制成的CF的忆阻器外，大多数忆阻都涉及HfO等二元氧化物CFx个和TaOx个无法直接观察到[54]，阻碍了对其电阻开关机制的进一步研究。因此，钙钛矿结构的TMO拓扑相变材料被认为是忆阻材料的理想候选材料。 除了上述基于CF机制的记忆器件外，还有另一种类型的器件不需要形成连接顶部和底部电极的CF。相反，它依赖于导电界面的整体迁移，导致界面势垒的变化，随后改变器件电阻。这种设备称为接口型设备。值得注意的是，在这种器件中，电阻（或电导率）在电阻切换过程中不断变化，而不是由丝状忆阻器中CF的形成或破裂引起的电阻突变，如图4a.此外，接口型设备通常不需要初始电铸工艺，因此功耗更低，操作速度更快，实用性更强。然而，与丝状忆阻器相比，对界面型器件的研究相对有限，大多数研究集中在二元氧化物，如TaOx个[55,56]和二氧化钛x个[57,58]. 例如，Ryu等人[59]报道了一种自整流Ti/TiO2/总部2/硅接口型忆阻器，具有良好的耐久特性（>1000次循环）和保持特性（>104s） 以及更多的阻力状态（~49）来模拟突触权重，并且由于自立行为增强了界面切换性能，因此最好应用人工神经网络模拟。此外，Kunwar等人[60]发现Au/Nb:STO接口型器件显示出良好的模拟电阻开关特性，具有较大的通断比（105)和良好的保持力（104s） 和耐力（102循环）特性。该装置可以成功模拟各种生物突触功能，如兴奋性突触后电流（EPSC）、配对脉冲易化（PPF）、长时程增强/抑制（LTP/LTD）和棘时依赖性可塑性（STDP），这证明了接口型忆阻器设备可以用于开发用于神经形态计算的高度可靠的突触设备。因此，研究具有良好结晶度、高氧迁移率和氧迁移各向异性的拓扑相变材料具有重要意义。 事实上，在制备界面型拓扑相变忆阻器时，通常需要形成富含氧离子或氧空位的介电层，然后间接影响功能层界面处的氧浓度。这种在薄膜制备过程中引入氧空位的方法是无损调节氧含量的一种非常重要的方法。一些研究小组也使用这种方法取得了良好的结果。例如，在研究HfO时2-基于忆阻器，Peng等人[61]引入了BiFeO三双HfO中的氧空位层2层来改善原器件电导调制线性度差的问题。在器件制造过程中引入的氧空位层的这种行为使得CFs的形成更容易（意味着更低的形成电压），并促进CFs在设置和重置过程中的逐渐氧化和还原，从而提高LTP/LTD的线性度，这有利于该装置的突触模拟和在神经网络中的应用。对于在制造过程中控制功能层中氧空位含量的研究，Pyo等人[62]调节非晶态Pr的氧含量0.7钙0.3二氧化锰三TiN/SiO上生长的（PCMO）薄膜2/通过控制沉积期间的氧气压力来控制Si（TiN-Si）衬底。此外，他们发现在低氧压下制造的器件含有更多的氧空位，这更有利于CF的形成。电阻开关过程不需要形成过程，并且表现出多电阻状态，这更有利于在神经网络中的应用。 2021年，Rao等人[63]制造了Au/PV-SFO/BM-SFO/SrRuO三/锶钛氧化物三器件，其中功能层不是单个BM-SFO或PV-SFO层，而是PV/BM-SFO异质结构。如所示图4b、 该器件的横截面图显示，功能层中的主导相为PV-SFO，而BM-SFO层位于与底部电极的界面附近，厚度仅约为10nm。缺氧BM-SFO层的形成可归因于SrRuO表面存在氧空位三底部电极。在沉积SFO功能层的过程中，底部电极附近的氧离子向下迁移，以填充界面处的氧空位，从而出现BM相。通过导电原子力显微镜（C-AFM）扫描，观察到施加正电压显著增强了扫描区域内的导电性，导电区域均匀分布，表明界面型电阻开关行为。在设备操作期间，应用正极五设置SrRuO中电压引起的氧离子三迁移到功能层中，导致BM-SFO层的厚度减小。这使得电子能够穿过BM-SFO层，从而提高了电导率。此外，由于BM-SFO层的非均匀性，一些电子能够穿过较薄的间隙（无肖特基势垒发射传导），导致界面特定区域的导电性增强。施加重置电压促使氧离子从PV/BM界面向SrRuO大量迁移三底部电极，导致BM-SFO厚度增加和更高的势垒高度。因此，电子很难进一步隧穿，有利于肖特基发射或跳跃传导。这种行为反映在I-V特性曲线中观察到的高电阻和低电阻之间的平滑过渡中，显示出电阻（电导）的连续变化，这有助于模拟突触功能和随后在神经网络中的应用。 然而，并非每个PV/BM-SFO异质结构都必然构成接口型器件。Su等人[64]制造了一种具有PV-SFO缓冲层的器件，Au/BM-SFO/PV-SFO/SrRuO三/锶钛氧化物三采用独特的氧气预处理工艺。设备结构如所示图4c、 和傅里叶变换技术用于区分PV和BM-SFO结构。他们发现在器件结构的底部电极附近存在大约20nm的PV-SFO缓冲层。证实了BM-SFO层的优势和有利于氧迁移的超晶格条纹图案的取向。值得注意的是，通过机制拟合，确定了该器件的传导机制遵循不完全连接PV-SFO CF的肖特基发射传导，而不是Rao等人提出的界面型机制。 我们认为，导电机制的分歧源于功能层中氧离子含量的变化。在Rao等人的装置中，PV-SFO是主要成分，功能层中存在大量氧离子。因此，当向顶部电极施加工作电压时，BM/PV界面处发生大量氧离子的集体迁移，导致BM-SFO层厚度发生重大变化。相反，在Su等人的设备中，功能层主要是BM-SFO相。因此，在五设置，BM/PV界面没有足够的氧离子进行集体迁移。相反，连接到顶部电极的CF仅在界面处形成。然而，CF的路径更短，导致显著减少五设置与原始设备相比。低于五重置尽管PV缓冲层中的氧离子可能会迁移到SRO中，从而降低PV-SFO的厚度，但电子仍然无法克服或隧穿肖特基势垒。因此，在这种情况下，该装置主要通过灯丝传导机制工作。
总之，对于拓扑相变忆阻器中驱动电阻开关效应的物理机制，目前还没有明确的共识。上述讨论提出了两种最典型的机制。因此，拓扑相变忆阻器物理机制的研究仍是未来研究的重点。
3.拓扑相变忆阻器性能的调制
拓扑相变忆阻器的性能通常表现在两个方面。首先，对于其在信息存储领域的应用，忆阻性能主要包括开/关比、工作电压、器件单元之间的均匀性、保持特性、开关速度、耐久性等属性。其次，他们发现了在模拟神经突触方面的应用，特别是模拟生物突触的长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）特性。这些特性要求在极性交替连续脉冲下不断增强或降低器件的电导率。不同的应用场景需要不同的性能标准，这促使研究人员提高忆阻器的性能。
拓扑相变忆阻器的结构通常由电极和功能层组成的三明治结构组成。电极主要促进电极和功能层之间的电子传输，从而对整体器件性能产生相当大的影响。目前，对电极的研究主要集中在顶部电极上。这是因为拓扑相变忆阻器的功能层需要外延生长，外延生长通常通过外延技术在钙钛矿结构底电极上进行。因此，底部电极如SrRuO三或La0.7高级0.3哞三通常使用，为结构修改留下有限的空间。然而，最近的研究，如Rao等人[63]，控制底部电极沉积期间的氧气压力，导致SrRuO出现氧空位三从而形成BM-SFO接口层，从而影响器件性能。相反，顶部电极对形状、尺寸或类型没有明确的要求，这使得它成为调节设备性能的可行方法。 电极调制的一个方面涉及控制电极尺寸。对于表面不均匀的功能层薄膜，电极尺寸对其性能有很大影响。Nallagatla等人[65]制备Au/BM-SCO/SrRuO三设备，如所示图5a、 其表现出明显的灯丝导通切换行为。该装置采用了一个尺寸为100μm的方形顶部电极。作为对照组，使用镀金探针代替顶部电极进行测试（探针和薄膜之间的接触面积约为0.5μm）。测试结果表明，大型电极装置的LRS难以维护。SET过程完成后，设备的电阻随时间逐渐增加，最终保持不变。此外，大电极装置的开关比和稳定性低于小电极装置，如所示图5b.为了解释这一现象，进行了有限元模拟，以可视化施加电压后功能层内的电场分布，如图5c.模拟结果表明，由于薄膜表面不均匀，对大电极施加电压会导致局部区域电场集中，导致大量氧离子聚集。这促进了多个随机分布的CF形成位点的形成，促进了许多弱导电丝的形成。这些细丝中的氧离子可以随时分散，导致电阻衰减，如图5a.在复位过程中，灯丝断裂不一致会导致不稳定五设置在随后的循环中，从而影响整体设备的稳定性。相反，对于小电极装置，有限元模拟显示，电极-薄膜界面处的电场更集中。氧离子更强的吸引力促进了强CF的形成，并减少了每个细胞的CF数量，从而提高了开关比率和稳定性。 此外，即使是原子平面界面，电极尺寸仍会影响器件性能。事实上，在大型电极装置中，不存在CF形成位的现象，从而提高了装置的稳定性。然而，器件的高电阻受电极尺寸的影响很大，而低电阻受影响较小，因此整体通断比相对较小。Tian等人制备的纳米器件[48]，显示出增强的切换比和改进的循环稳定性，如所示图3e.未来，可能通过控制平面界面上的电极接触面积或形状来设计CF形成位置，从而更精确地调节电阻开关性能。 影响顶部电极的另一方面是电极材料的影响；Wang等人研究了不同金属顶部电极对SCO和SFO拓扑相变材料的影响[66]. 他们在SrCoO上沉积了两种贵金属（铂、银）3-δ使用电子束蒸发在高氧气压力下退火的钙钛矿氧化物膜。结合第一原理密度泛函理论计算（DFT），他们发现了Pt、Ag和SCO之间涉及表面电荷转移和协同键的相互作用。这些相互作用削弱了Co-O（Fe-O）键，降低了氧迁移的能量屏障，使薄膜中氧离子的迁移更加活跃，并促进了拓扑相变。贵金属电极的作用如所示图5d、 其中贵金属将电子转移到拓扑过渡材料上，形成钴（铁）-O-贵金属（Nm）键，防止钴（Fe）-O键的直接断裂。这促进了氧离子向表面扩散，最终转化为O2这表明贵金属层可以充当氧气泵，从富氧膜中持续向大气中提取氧气。此外，薄膜在低温下无偏压从PV相转变为BM相，完成了拓扑相变。 有趣的是，这两个电极还显示出从薄膜中提取氧气的强度有显著不同，如图5e.对于铂电极，除了由于表面快速氧迁移而形成4nm转换层外，其余区域由水平带状BM-SCO组成。相反，银电极表现出不同的行为，由于氧的不受控释放，大多数区域变成非晶态和非晶态。在基底附近只能观察到少量的BM-SCO，并且水平（H-OVC）和垂直（V-OVC）带状结构同时存在。结合DFT计算，可以观察到贵金属诱导的氧迁移在不同状态下的自由能变化趋势。状态I→II→III代表氧在薄膜和电极内的迁移，而状态III→IV代表氧形成的脱氧过程2无论是Pt电极还是Ag电极，氧从初始状态到最终脱氧状态的总自由能都会降低，这解释了为什么在室温下可以在没有额外能量输入的情况下发生拓扑相变。然而，对于SrFeO3-δ（0<δ<0.5），Fe-O键比Co-O键更强，具有更高的脱氧势垒。虽然氧原子迁移的第一步和第二步在能量上是有利的，但整个脱氧过程涉及到熵的增加，需要吸热。因此，为了完成整个过程，需要将温度提高到150°C，这远远低于无贵金属电极的相变所需的温度（700°C）。因此，通过故意选择不同的电极材料，可以影响膜内氧离子的浓度，从而调节忆阻器的电阻开关性能。 在制造忆阻器件后，控制薄膜内氧离子的另一种常见方法是离子液体门控（IL门控）。Saleem等人对富氧离子液体对BM-SFO薄膜的影响进行了详细研究[67]，如所示图6a.他们使用N，N-二乙基-N-（2-甲氧基乙基）-N-乙基铵双-（三氟甲基磺酰基）-酰亚胺作为IL，覆盖整个薄膜，并使用铝电极。闸门操作后，用丙酮和乙醇清洗样品以去除IL。当负电压（−五克)施加到铝电极上，IL中形成电场，驱动IL中的氧离子迁移到BM-SFO中，并增加薄膜中氧离子的浓度。相反，当正电压(五克)在电极上，从薄膜和忆阻器件中提取氧离子，使其恢复初始状态。IL门控对膜结构的影响可以通过原位TEM观察来观察，如图所示图6b.最初，BM-SFO薄膜呈现水平带状结构。在施加负IL门控并持续作用45分钟后，超晶格条纹结构逐渐从SrFeO中消失x个/LSMO界面，可能是由于原位观察期间氧空位沿IL内水平超晶格通道快速扩散所致。为了研究IL门控对薄膜电性能的影响，使用（0.7 wt.%）Nb掺杂（001）取向的SrTiO制备了Pt/BM-SFO/NSTO器件三（NSTO）基板。该器件的初始电阻约为3 GΩ，需要较大的工作电压来降低器件的电阻。经过多次循环后，发现设备的稳定性较差。然后将连续IL选通应用于设备。随着暴露时间的延长，五设置，设备的开关行为降低，而五重置在稳定之前增加。IL门控机制如下：设备内氧离子的初始浓度较低，需要大量五设置通过氧离子聚集形成CFs。氧离子在迁移过程中的参与最小，导致设备的I-V曲线不稳定。在应用负IL门控后，氧离子进入薄膜，薄膜逐渐向PV相转变，导致初始电阻降低。此外，LRS中的CF尺寸较大，CF也容易在较低的温度下形成五设置相反，当设备在负电压循环期间恢复到HRS时，大CF不太可能被破坏，导致更高五重置。 很明显，IL门控是调节电阻开关（RS）参数的有效方法。这种方法的优点在于能够在器件制造完成后控制氧离子的浓度。由于IL门控工艺与设备和电池集成工艺相对兼容，因此它具有巨大的实际应用潜力。
事实上，对于SrFeO3-δ在薄膜中，有一种更方便、快速的方法来诱导其拓扑相变。Ferreiro-Vila等人研究了低剂量Ga的影响+-聚焦离子辐照SrFeO拓扑相变3-δ薄膜[68]. 通过比较镓的作用+在不同能量的辐照下，发现在30kV时，由于透镜像差最小化，获得了最佳分辨率。此外，使用Ga+SrFeO在5 kV和30 kV下的辐照3-δ薄膜，如所示图6g、 通过SEM、AFM和C-AFM测试观察到，在Ga+聚焦离子辐照，由于BM-SFO的形成（经拉曼光谱证实），辐照区晶格膨胀，导致电导率降低。在30 kV能量下，膨胀最为明显，随着剂量（以秒表示）的增加，离子辐照也会引起研磨效应。这解释了在高辐照剂量（通常大于40 s）下薄膜厚度的减少和薄膜非晶化的发生，如图6f.因此，低剂量Ga+本研究采用30kV辐照。考虑到SFO从PV相过渡到BM相的晶格膨胀特性，FIB技术的另一个优点是其在高分辨率纳米打印中的应用。如所示图6h、 通过控制Ga的宽度+辐照后，SEM图像中显示出明显的细长区域（宽度从4000 nm到20 nm），这表明离子辐照技术对未来纳米器件的设计和使用具有指导性潜力。 从前面介绍的拓扑相变材料中，我们知道钙钛矿结构（以BM-SFO为例）由FeO的交替堆叠组成4四面体和FeO6八面体，形成绝缘相。在TEM测量中，可以观察到亮条纹和暗条纹的交替，暗条纹代表所谓的“超晶格条纹”。这些超晶格条纹的方向可以被认为是氧迁移的最快方向[69]. 因此，理论上，调整超晶格条纹的方向可以有效地调节器件的性能。 Wang等人在LaAlO上成功制备了BM-SFO薄膜三通过控制薄膜沉积和退火过程中的氧气压力，具有垂直于面内方向的超晶格条纹的（LAO）衬底[70].图6i显示了在不同氧气压力条件下沉积的SFO薄膜的TEM图像。在低氧压沉积条件下，优先在界面处形成水平的OVC结构，生长的薄膜中含有无法逃逸到真空中的多余氧气，导致不太明显的超晶格条纹。对于在高氧气压力（300 mTorr）下生长的薄膜，在界面处优先形成钙钛矿型PV-SFO结构。然而，由于没有进行退火，远离SFO/LAO界面的区域将显示水平和垂直OVC共存。对于在高氧气压力下沉积并在低氧气压力下退火的薄膜，氧气优先沿着垂直排列的OVC释放，即PV-SFO中的氧气被释放，垂直的OVC逐渐取代水平的OVC。因此，在沉积和退火工艺之后，从顶部到底部形成垂直排列的OVC。随后对不同薄膜的光学带隙进行的测试表明，随着BM-SFO“纯度”的增加，光学带隙增加，电导率降低。目前，拓扑相变材料中垂直定向伪超晶格条纹的研究主要集中在光学领域[71]和磁性[72]在电子学方面的研究相对较少，尤其是在电阻开关器件领域。Su等人开发的设备就是一个例子[64]具有Au/BM-SFO/PV-SFO/SRO结构。如所示图4d、 垂直定向伪超晶格条纹器件的工作电压明显低于水平定向伪超格子条纹器件。此外，垂直定向装置显示出良好的循环稳定性和保持特性(图4f） ●●●●。工作电压显著降低可归因于两个因素：20nm PV-SFO缓冲层缩短了CF形成路径，垂直OVC提高了氧离子在计划外方向的迁移效率。工作电压的大幅降低有利于低功率器件的发展。 此外，除了控制薄膜沉积过程中的氧气压力外，还可以通过选择衬底的不同晶向来控制超晶格条纹的取向。Acharya等人制作的Au/BM-SFO/SrRuO三/锶钛氧化物三（111）器件，并在相同条件下将其性能与在（100）取向晶体学基底上制备的器件进行比较，研究晶体学取向对器件性能的影响[73]. 通常，（100）取向的衬底倾向于促进具有平面内氧空位通道（H-OVC）的BM-SFO/BM-SCO薄膜的生长，而（111）取向的基底则有利于具有垂直定向氧空位渠道（V-OVC）BM-SFO/BM-SCO薄膜的生长4四面体和FeO6八面体层，基底为55°。对于Au/BM-SFO/SrRuO三/锶钛氧化物三（111）器件性能测试，发现器件需要负成型工艺，在软击穿后，器件处于高电阻和低电阻之间的中间状态。电压扫描到正极时五设置该装置切换至LRS，表现出良好的保持特性、循环稳定性，并在正负脉冲刺激下保持良好的耐受性。与SrFeO相比x个（100）器件，（111）器件也表现出更好的器件间稳定性。（111）器件稳定性的提高可能是由于连接顶部和底部电极的氧空位通道，这有助于减少CF形成的随机性。 另一方面，Kim等人利用原位TEM观察了Au/BM-SFO/SrRuO电阻开关过程中的结构变化三/锶钛氧化物三（111）和Au/BM-SFO/SrRuO三/锶钛氧化物三（001）器件，分析晶体取向对电阻开关性能的影响[74]. 在样品测试期间，金用作接地，扫描电压施加在SrRuO上三两种设备之间最显著的性能差异是（001）设备需要负值五成形以启动一定水平的CF形成，而（111）器件由于其连接顶部和底部电极的固有氧空位通道，允许在电场下更容易的氧离子迁移，因此不需要软击穿过程。实际现场电压测试证实，两种装置的I–V曲线均符合理论预期。TEM观察表明，在（111）器件中，LRS中形成了大面积的PV-SFO，大部分PV相在过渡到HRS后消失，转变为BM相。相反，对于（001）器件，在初始成形过程之后，空气中的氧气进入BM-SFO，填充材料中的氧空位。这一过程导致在某些区域形成PV-SFO，并将器件转化为HRS。由于氧离子在八面体层上的迁移具有挑战性，随后的设置和重置过程主要发生在金电极附近。与（001）器件相比，（111）器件在电场方向上表现出更高的氧离子迁移率。因此，（111）器件在电阻开关过程中有更多的氧离子参与迁移，导致电阻开关的面积更大。另一方面，（001）器件具有较小的开关区域。这些工作清楚地表明，选择衬底晶体取向可以控制超晶格条纹的取向，这有助于提高基于BM相拓扑相变材料的电阻开关器件的性能。 除了通过调整衬底晶体取向来控制伪超晶格条纹的取向外，另一种方法是通过从薄膜中选择具有不同晶格常数的衬底来诱导平面内应力。常见衬底和SFO/SCO的平面内晶格参数如所示图7先前的研究表明，常规钙钛矿结构材料中氧空位的活化能会受到外延应变的影响。通过第一性原理计算，发现与未变形材料相比，4%的拉伸应变可以使氧空位的形成能降低约0.4 eV[75]（注意，外延生长诱导应变应小于5%）。然而，对于在外延应变下生长的氧空位形成能较高（>2eV）的材料，应变对形成能的影响相对较小。有趣的是，一些材料如SCO和SFO表现出特别低的氧活化能（<1 eV）[76,77,78]因此，通过应变操纵来调节拓扑相变电阻存储器件的性能成为研究热点。 Petrie等人通过在不同基底上沉积PV-SCO和BM-SCO薄膜，研究了拉伸应变对氧活化能的影响[82]. 随着基底平面内拉应力的增加，压缩应力出现平面外，导致薄膜的平面外晶格常数降低。这反映在PV-SCO的XRD模式中，其中（002）峰向更高角度移动，如所示图8a.通过XAS等技术，发现随着拉伸应力的增加，SrCoO中x的值x个减少(图8c） 表明氧空位含量增加。单位电池体积(图8b） 随着面内拉伸应力的增加，单胞体积增大，在氧空位含量较高的薄膜中观察到更大的变化。 使用DFT模拟，他们研究了影响氧迁移的两个关键参数：第一个是氧插入焓，H我，是将氧原子插入空位所需的能量；另一个是活化能垒E一，表示氧原子沿着氧空位通道从一个位置迁移到另一个位置所需的能量。氧迁移过程如所示图8d、 其中O2−离子通过高能点（鞍点，H鞍)，这是系统中能量最高的位置。根据方程E一=H鞍−H我，发现鞍点H鞍，随着拉伸应变的增加略有下降，而H我随着拉伸应变的增加显著增加。因此，活化能E一随着拉伸应变的增加显著降低，如图8e.具体来说，当氧离子沿着氧空位通道的[010]方向从一个空位位置移动到另一个空穴位置时，e一随着菌株从+2%变化到−2%，菌株数量增加。这为利用外延应变调节基于拓扑相变材料的电阻开关器件的性能提供了理论依据。 Xiang等人利用PLD在含有La的衬底上沉积BM-SCO薄膜0.7高级0.3哞三底部电极，例如STO（无应变）和LAO（压缩应变为−2.74%），产生Au/BM-SCO/LSMO/STO（001）和Au/BM-SCAO/LSMO/LAO（001）器件[83]. 测试了它们的电阻开关性能，如所示图8f.与以STO为衬底的器件相比，以LAO为衬底的器件具有更小的开/关比。然而，在50个电阻开关循环下，LAO器件表现出更均匀的工作电压和开/关比分布，表现出更大的稳定性。结合DFT计算，计算了在应变和非应变条件下氧离子沿平面内八面体层和跨四面体层迁移的迁移势垒，如图8g.发现沿[100]方向（面内迁移）的迁移屏障相对较低，Au/BM-SCO/LSMO/STO的值为0.37 eV，Au/BM-SCO/LSM O/LAO的值为0.80 eV。在压缩应变下，面内和面外迁移障碍物均增加。图8h、 我举例说明了这两种器件的电阻开关机制。在LAO器件中，压应力增加了氧空位形成能和氧离子迁移能，导致LRS中的CF比未变形器件更细更少。然而，在HRS中，两种设备都表现出类似的行为。由于氧离子迁移困难，LAO器件的开关比较低。因此，压缩应变装置表现出更大的性能稳定性。 此外，除了使用衬底在外延膜中诱导平面内应变外，还可以通过辐照来诱导应力。Xiang等人对SCO膜进行了不同剂量的低能氦（He）离子辐照（5kV），由于氦间隙原子的插入，导致了超常拉伸应变。随着离子剂量的增加，板外拉伸应变从0.447%增加到2.785%[84]. 设备性能结果如所示图8j、 其中，通断比随着外5kV氦离子剂量的增加先增大后减小（初始通断比2.94，1×10通断比16914氦/厘米2，20.56用于5×1014氦/厘米21×10时为14.2215氦/厘米2). 应变诱导单轴应变对SCO器件电阻开关行为影响的机制描述如下图8k.在中等拉伸应变下（例如，在1×10的情况下14氦/厘米2)Co-O键的强度（键l2)由于应变而降低，导致氧迁移屏障降低并促进氧离子迁移。然而，过度拉伸应变可能会过度拉伸Co-O键（键l三)导致相邻债券（债券14)变得更强，阻碍氧离子迁移，导致设备的开关比降低。值得注意的是，过大的面内应变会导致在垂直于平面的方向上形成纳米级缺陷，而过大的压缩面内应变则会导致平行于平面的水平缺陷。这些缺陷会严重影响沿薄膜生长方向的电子传输和氧扩散，从而影响器件的电阻开关性能[85]. 因此，精确控制外延应变以提高拓扑相变忆阻器的性能越来越受到研究人员的关注。 事实上，电极和开关矩阵的薄膜厚度在开关机制中起着非常重要的作用。薄膜厚度对忆阻器性能的影响的研究主要集中在二元和三元过渡金属氧化物上[86,87]. 例如，在研究Ti/HfO时x个设备，Rahaman等人[88]利用Ti层的高吸氧能力改变HfO中氧空位的含量x个通过控制Ti层的厚度，从而很好地调节性能参数，如V成形以及设备的工作电流。同样，Tong等人[89]报道了不同薄膜厚度对NiFe性能的影响2O（运行）4（NFO）忆阻器。他们通过控制薄膜沉积时间制备了几种不同厚度的NFO薄膜。发现薄膜越厚，形成CFs的路径越长，氧分布越分散，初始V值越大成形并且循环稳定性越差。如果NFO薄膜太薄，薄膜中的缺陷辅助隧穿电流很容易通过绝缘层传导，器件的循环稳定性也较差。然而，关于功能层薄膜厚度对拓扑相变忆阻器性能的影响的研究很少，这需要研究人员进行更广泛和深入的研究。 4.拓扑相变忆阻器在神经网络计算中的应用
与基于传统冯·诺依曼体系结构的计算机相比，人脑中的信息存储和逻辑操作被集成在一起，使大脑能够更高效地处理大量数据，例如高精度图像识别和机器学习。效率源于大脑通过重新配置突触连接强度（或突触权重）来同时处理和记忆信息的能力。因此，为了模拟人脑的信息处理能力，模拟神经突触至关重要，包括模拟突触可塑性。在生物突触中，突触前和突触后神经元之间的连接强度（或突触重量）由突触尖峰调节。对于忆阻器，电导或电阻与突触重量相对应，可以通过对电极施加电刺激来调节。因此，记忆电阻器已成为模拟突触功能的理想设备之一。
在基于忆阻器的突触器件领域，Nallagatla等人报道了一种基于界面屏障型BM-SFO的双极电阻开关器件，并观察到了长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）特性[90]. 器件结构为Au/BM-SFO/SRO/STO（111），如图所示图9a、 利用Au作为顶电极和SrRuO三作为底部电极。氧空位面朝外，并连接到顶部和底部电极。I-V特性如所示图9b、 表现出不对称和逐渐的电阻转变行为，可能归因于Au/BM-SFO和BM-SFO/SRO界面的肖特基势垒高度不同。这种逐渐的电阻转换特性更有利于模拟神经突触的应用（如图9c） ●●●●。在正负电压扫描之后，连续的负电压扫描导致器件的电导逐渐增加（对应于连续的设置过程），而连续的正电压扫描导致电导逐渐降低（对应于连续的重置过程）。此外，当向器件施加连续的负脉冲（−4.0 V，1 ms），然后是一系列相同的正脉冲（5.0 V，1 ms），并且在使用0.5 V电压的每个脉冲之后读取瞬时电导时，器件的电导在负脉冲作用下逐渐增大，在正脉冲作用下逐步减小，对应于LTP和LTD功能，如所示图9d、 e，这表明该设备非常适合用于模拟神经突触。 Ge等人利用离子液体门控技术制造了一种独特的三端SFO突触装置，模拟了突触可塑性和峰时依赖可塑性（STDP）[91]. 设备结构如所示图9f、 并且器件导电性的变化由栅极电压控制。当向栅极施加负电压时，离子液体中的氧离子进入SFO，导致从BM-SFO过渡到PV-SFO，从而增加器件的电导率。相反，从PV-SFO到BM-SFO的转变会降低器件的电导率，如所示图9k.I-V传输曲线显示出明显的滞后现象，表明器件电导率具有良好的可逆性。 神经元传递信息的关键是兴奋性突触后电流（EPSC）的触发。为了评估设备中的突触反应，一系列突触前脉冲VG公司用于观察突触后电流I的变化标准偏差通过增加突触前脉冲的振幅和宽度，突触后电流增加。随后测量了器件的LTP和LTD特性。将一系列振幅为-1.8V、宽度为5s的负脉冲和振幅为+1.8V、长度为10s的正脉冲应用于栅极，显示出器件电导率的持续增加和减少，反映出可再现和非易失性突触可塑性。此外，STDP是一种基本的Hebbian学习规则，用于模拟突触功能。它涉及突触前和突触后神经元棘波相互作用引起的突触重量的变化。设备重量变化如所示图9m.如果突触前神经元放电先于突触后神经元放电（即Δt>0），则发生LTP，增加突触重量。相反，如果突触前神经元放电遵循突触后神经元放电（Δt<0），则会发生LTD，从而降低突触重量。 为了探索人工神经网络的性能，构造了一个典型的多层感知器（MLP）神经网络，如所示图9i.使用两个数据集进行训练：手写数字光学识别（ORHD）数据集（8×8像素）和MNIST数据集（28×28像素）。研究发现，对于小数据集，经过训练，神经网络的识别准确率提高到95.2%，接近96.7%的理论值。对于较大的数据集，识别准确率达到92.7%。 此外，Su等人报告了一种基于BM-SFO（111）的极性开关设备，并研究了该设备的LTP，LTD及其在MNIST手写识别场景中的应用[92]. 术语“极性可切换”是指切换设备操作极性的能力。在Au/BM-SFO/SRO/STO（111）器件的初始形成过程之后，空气中的一部分氧离子被吸引到SFO薄膜中，在底部电极附近形成富氧离子簇，如所示图9p.然后积极设置设备，消极重置。应用较大的正极性开关电压将富氧离子簇吸引到顶部电极，将设备设置为负，并将其设置为正。极性切换是可逆的。研究了极性转换前后器件的LTP和LTD，读取电压为10 mV。发现负集器件的LTD具有较小的非线性因子αD类与正定装置相比，负定装置能更好地模拟突触可塑性。随后建立MLP和卷积神经网络（CNN）结构，并对其进行手写识别测试。在这两种网络类型中，负集设备的识别准确率都高于正集设备。 通常，基于CF的忆阻器具有开/关比大、无波动性和低功耗等特点。接口开关器件具有多电阻状态、无形成过程、工作电压低等特点。Chen等人将这两个设备特性结合起来，构建了一个尖峰神经网络（SNN）[93]. 基于CF的忆阻器可以利用其CF的瞬时连接和断开。使用时间分离的前后脉冲来代替突触前和突触后神经元的共同作用，从而产生器件STDP。利用接口开关器件的多值特性提取泄漏积分火灾（LIF）模型。构建了由基于CF的忆阻器作为突触和接口开关器件作为神经元模块组成的SNN电路。该电路具有读写模式。当来自PG的启用信号E类没有脉冲，电路在写入模块中，来自忆阻器1的突触信号（电导）被加权并应用于忆阻2以增加G平方米当来自PG的启用脉冲E类出现时，电路处于读取状态，不再受突触写入的影响，如果G平方米足够大，Vo（o）会向其他神经元输出脉冲。尖峰脉冲也会作为突触后神经元尖峰作用于记忆电阻器1形成的突触，根据STDP规则修改突触重量（电导）。最后，将SNN应用于ORHD手写识别场景，当输出神经元数量为400时，准确率达到83.7%。这表明SFO作为一种多功能材料可以很好地应用于神经元和突触设备，有助于开发完全记忆SNN。 最后，Rao等人报告了基于所示配置的接口交换设备的应用图4c在神经网络中，观察LTP/LTD、EPSC、配对脉冲促进（PPF）、STDP以及笔迹识别领域的应用[63]. 如所示图10h、 在连续正脉冲下，器件表现为LTP，而在连续负脉冲下，则表现为LTD。此外，当受到单个正脉冲时，器件电流达到峰值，然后衰减，证明了EPSC的过程。最终的稳定电流仍然高于初始电流，这表明部分重量（电导）变化是不稳定的，而其余是不稳定的。此外，当施加两个连续脉冲时，第二个EPSC通常高于第一个，并且随着两个脉冲之间的时间间隔Δt的减小，成对脉冲促进（PPF）指数增加。这两种行为都可以用双指数函数很好地拟合，证明PPF很好。同样，通过调节突触前和突触后脉冲之间的时间间隔，获得了该器件的STDP特性。随后，由该设备组成的MLP网络应用于ORHD和MNIST手写识别数据集，如所示图10i、 j.研究发现，使用小图像（ORHD）进行40个周期的训练后，在频繁权重更新（FU）场景中，准确率达到88.7%，仅比理想准确率低8.0%左右。然而，在不进行缩放的不频繁权重更新（IFU）场景中，准确率下降到31.9%。缩放后，IFU场景中的准确率达到89.1%。在大图像训练的情况下，FU、未缩放IFU和缩放IFU场景的准确率分别为88.4%、65.9%和88.8%。这表明基于SFO的接口开关忆阻器在神经形态计算应用中具有巨大潜力[63]. 5.结论与展望
表1从开关比、保持特性、循环特性、LTP/LTD、STDP、PPF和手写识别等方面对基于拓扑相变材料的典型忆阻器和其他典型忆电阻进行了比较分析。其中，基于SrFeO等典型拓扑相变材料的忆阻器x个和SrCoOx个在电阻开关过程中，不要改变其晶格结构，使电阻开关过程更加清晰，器件的保持特性和周期-周期特性更好。氧化学计量的可控变化使记忆电阻器件（如CF型器件和接口开关型器件）具有不同的电阻开关行为，更好地模拟神经突触和神经元的功能。 对于电阻存储器，电极工程、应变工程、离子液体选通和其他方法是调节器件电阻开关性能的有效手段。尽管近年来取得了实质性的研究进展，但电阻开关过程中CF产生和破裂的随机性仍然对器件的内部循环及其在器件之间的均匀性产生不利影响。拓扑相变忆阻器的制作工艺复杂，对氧含量敏感，与传统CMOS工艺不兼容，这也制约了其发展。因此，需要进一步研究界面型忆阻器，通过掺杂或调节顶部和底部电极的界面缺陷引入导电丝的主要生长位点，并与更成熟的二元金属氧化物材料结合，以满足高开关比、高均匀性、，记忆电阻器的高耐久性。
目前，基于拓扑相变材料（如CF型器件）的忆阻器具有高开关比和快速状态切换等特性，适合模拟SNN中的神经突触。同时，接口开关器件由于其优良的多状态特性，可以模拟SNN中的神经元。这表明了构建全忆阻SNN网络的潜力。此外，忆阻阵列在CNN、MLP网络和其他领域具有很高的适用性，有望在图像处理、人工智能、自动驾驶等领域得到广泛应用。然而，神经形态器件发展的主要限制因素是忆阻器的线性度相对较低。未来，使用界面开关忆阻器或构建新的忆阻电阻或阵列来模拟突触内的离子动力学，可能会进一步推动人工神经形态网络的发展。
值得注意的是，SrFeO等材料x个和SrCoOx个经历从绝缘钙钛矿到导电钙钛矿相的转变，对应于从反铁磁状态到铁磁状态的转变。这表明拓扑相变材料在自旋电子学器件中的潜在应用。最后，通过将钪（Sc）和铌（Nb）加入其B位，可以在立方晶体结构中稳定低过电位的PV-SCO等材料显示出显著增强的电催化析氧活性[94]. 因此，拓扑相变钙钛矿材料在电子学、磁学、材料科学和信息学等领域具有广泛的潜在应用，可以满足跨学科的技术需求。 总之，我们对拓扑相变钙钛矿型记忆电阻器进行了详细概述，包括其结构、器件制作、性能调制、神经突触和神经元的模拟以及在神经形态计算中的应用。拓扑相变钙钛矿材料中电荷、自旋和晶格结构之间的强耦合使其具有良好的电、磁和光学特性，在忆阻器、集成光学器件、气体传感器等方面具有广阔的应用前景。尽管如此，基于拓扑相变材料的忆阻器的商业应用仍然面临挑战，需要科学家和研究人员的持续投入和专注研究。
