Advanced Materials | 泽攸科技原位TEM揭示极端环境金刚石忆阻器微观阻变机制

受人脑启发的神经形态计算与人工突触器件具备低功耗、高速以及存算一体的显著优势，但传统的氧化物阻变存储器在高温等极端工况下面临严峻的稳定性挑战。金刚石凭借超宽禁带、卓越的热导率和出色的化学稳定性，被公认为发展极端环境电子学的理想半导体材料。目前针对金刚石基突触器件的探索主要依赖光电效应、异质结势垒调制或掺杂改性等途径，以期实现阻变特性、�/p>

然而金刚石内在的高化学稳定性与电导率难以调制的问题，极大限制了其纯电驱动阻变行为的实现。现阶段报道的金刚石器件普遍存在阻变开关比偏低、擦写循环寿命受限以及长期保持特性不足等瓶颈。如何在不牺牲材料本征稳定性的前提下，构建可靠的导电通道并实现高效的非易失性电学阻变调控，成为制约金刚石基忆阻器走向实际应用的核心挑战、�/p>

针对上述问题，由郑州大学等组成的联合团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了深入研穵�/strong>，团队创新性地利用晶界处的金属-金刚石界面反应构筑了垂直离子迁移通道，成功研制出�?150℃至600℃宽温区下稳定运行的高性能非易失性金刚石忆阻器，并实现了人工突触与生物痛觉感知功能的模拟、�/p>

针对金刚石材料电导率极难通过电学偏压直接调控的固有瓶颈，研究团队提出了基于晶界工程构筑垂直离子迁移通道的材料设计策略。研究人员采用化学气相沉积技术在硅基底上生长出富含晶界的多晶金刚石薄膜，并利用过渡金属镍在高温下对金刚石界面的催化反应特性，通过金属沉积与热处理在晶界缺陷处诱发选择性刻蚀。在去除残留催化金属后，金刚石薄膜内部成功构建出沿晶界贯通的垂直纳米通道，在完整保留金刚石晶体骨架与热学特性的同时，为活性金属离子的定向迁移提供了低阻力路径、�/p>

�? 金刚石忆阻器的制备与开关特�?/p>

在解析器件电致阻变微观物理机制的关键环节中，研究团队利用泽攸科技的透射电镜原位样品杆开展了系统深入的原位研究。通过在显微系统内实时施加电学激励并同步记录微区结构演变，研究人员直接捕获到了器件在置位与复位过程中的动态结构变化。微观形貌与元素能谱分析结果清晰证实，该金刚石忆阻器的非易失性开关特性源于金属银电极离子沿着预制晶界通道发生的可逆迁移，即银导电细丝的周期性形成与熔断，从而在微观尺度上确证了阻变通道的导电机制、�/p>

�? 金刚石忆阻器阻变机制的微观表�?/p>

基于该晶界离子通道架构，所构筑的金刚石忆阻器件展现出了优异的电学性能与突破性的宽温区服役能力。实验测得器件具有高达约10?的阻变开关比、高度集中的操作电压分布以及优良的批次一致性。尤为突出的是，器件�?150℃至600℃的严苛宽温区范围内均能保持稳健的非易失性双极阻变特性，�?00℃高温下经过长达10?秒的数据保持测试�?000次连续脉冲擦写循环后仍能维持超过10?的记忆窗口，显著提升了忆阻器件在极端高温环境下的可靠性边界、�/p>

�? 金刚石基人工突触的突触可塑性行丹�/p>

依托导电细丝动力学调控能力，该金刚石忆阻器成功实现了对生物神经突触塑性与痛觉感受器行为的硬件级功能模拟。器件不仅精准再现了双脉冲易化、长时程增强与抑制以及脉冲时序依赖可塑性等典型突触学习机制，还逼真模拟了生物痛觉系统的阈值响应、无适应性特征，以及组织受损后产生的触觉异常与痛觉过敏等病理状态。该成果充分验证了金刚石基忆阻器在复杂极端工况下的存算一体与智能传感潜力，为面向深地钻探、航空航天等前沿场景的耐极端环境神经形态计算系统奠定了器件基础、�/p>

�? 基于金刚石忆阻器的高灵敏度痛觉感受器模拟

泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM样品杆产品：

JEOL兼容原位探针杅�/p>