npj Computational Materials: 华人教授曹晔提升金属氧化物忆阻器—导电细丝的形成与优化

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近年来，基于金属忆阻器制成的纳米阵列可实现数据的原地存储与计算，从而可以大大地提高计算效率，缓解“算力焦虑”。目前大多数金属氧化物阻变式存储器的存储行为主要来源于氧空位导电细丝在外部电场作用下的形成与断裂。导电细丝的物化性质对提高忆阻器开关速度和稳定性有至关重要的作用。但到目前为止，对导电细丝形成的物理机制及其影响因素还缺乏更深入的研究，特别是电极对导电细丝的生长方向、形貌和组成等方面的影响。另一方面，虽然已经有许多不同的金属氧化物体系被用来作为忆阻器的介质层来实现阻变效应。然而，什么样的金属氧化物可以被选择来构建性能更优异的忆阻器？完全依靠实验来发现新材料并从中挑选出性能较好的氧化物非常的耗时耗力。因此，通过建立理论模型来对导电细丝形成的动力学过程及其影响因素进行研究，并揭示金属氧化物忆阻器性能与材料的本征特性之间的关系，从而进行发现和设计稳定高效的忆阻器是非常有必要的。

来自美国得克萨斯大学阿灵顿分校材料科学与工程系的博士生张可娜，曹晔教授及其合作者们，通过构建一种多场耦合模型，系统研究了在外部电压的作用下金属氧化物忆阻器中氧空位型导电细丝形成的动力学过程，探讨了材料特性对导电细丝生长行为的影响。他们发现，氧空位在阳极界面处的生成率和在氧化物介质层的迁移率之间的竞争控制导电丝的生长方向。当生成率高于迁移率时，导电丝最初在阳极区域形成并逐渐向阴极生长。否则，导电丝首先在阴极区域形成，并向阳极方向生长。此外，导电丝的生长和最终形态受到电极和氧化物介质层特性的影响。通过选择氧亲和性强的活性电极以及具有较高电导率和较低热导率的金属氧化物的金属氧化物，可以在更低的电压下形成氧空位分布均匀，形貌完整且无明显缺口的导电细丝。他们的研究工作不仅促进了对导电细丝形成的动力学过程的理解，同时对电极和氧化物介质层材料的选择提供了理论依据。

We developed a physical model to fundamentally understand the conductive filament (CF) formation and growth behavior in the switching layer during electroforming process in the metal-oxide-based resistive random-access memories (RRAM). The effects of the electrode and oxide layer properties on the CF morphology evolution, current-voltage characteristic, local temperature, and electrical potential distribution have been systematically explored. It is found that choosing active electrodes with lower oxygen vacancy formation energy and oxides with small Lorenz number (ratio of thermal and electrical conductivity) enables CF formation at a smaller electroforming voltage and creates a CF with more homogeneous morphology. This work advances our understanding of the kinetic behaviors of the CF formation and growth during the electroforming process and could potentially guide the oxide and electrode materials selection to realize a more stable and functional RRAM.