神经形态器件中电压诱导灯丝形成的高分辨全场结构显微研究

忆阻器件的神经形态功能通常与其通过阻变开关在电学上创建局域导电通路的能力相关。典型关联材料 VO2 因其复杂的电子与结构相变以及其在外加电压下的灯丝形成而被深入研究。灯丝行为的局域结构研究常受限于耗时的光栅扫描，这使得许多旨在研究大空间区域或与相变电学触发相关的时间动力学的实验难以实施。利用暗场 X 射线显微术（DFXM）——一种新型全场 X 射线成像技术，我们从结构角度原位研究了 VO2 器件中这一复杂灯丝形成过程。我们表明，在灯丝形成之前，定义器件的金属电极下方存在金属金红石相的显著增益。我们观察到灯丝形成遵循由器件内成核位点决定的优先路径。这些成核位点倾向于发生相变，并能在返回室温后持续保持高温金红石相，从而可实现一种新型训练/学习机制。灯丝形成似乎也遵循由器件内成核位点决定的优先路径，该位点倾向于金红石相变，即使在返回室温后亦然。最后，我们发现高温灯丝内部可存在小的孤立低温相团簇，表明灯丝结构并不均匀。我们的结果对金属-绝缘体相变材料中电诱导灯丝形成提供了独特视角，增进了对这一阻变过程的基本理解。