隨著傳統馮·諾依曼結構逐漸暴露出處理速度和能效的瓶頸，仿生神經形態計算成為重要的替代路徑。在諸多候選器件中，憶阻器因具備非易失性、結構簡單、功耗低和可擴展性強等優勢，被視為人工突觸的理想實現方式。尤其是電阻式隨機存取存儲器（RRAM），通過調控絕緣層中離子的遷移實現電阻狀態的可逆切換，契合了突觸權重調節的特性，因此在神經網絡和存儲應用中展現出巨大潛力。為進一步提升憶阻器的均一性與可靠性，研究者提出了通過自組裝方式構建垂直取向納米復合（VAN）結構，使兩相界面自然排列形成垂直導通通道。這一設計不僅能提高集成密度和調控應變，還能緩解傳統導電細絲形成過程中的隨機性問題，因而被寄予厚望用于高性能神經形態器件的構建。

不過現有研究仍面臨多重挑戰。首先許多報道的VAN結構，其基體材料的氧空位含量有限，導致器件的電阻切換速度和多態可調性受限。其次某些體系（如基于鐵電性的BaTiO?體系）中，電阻切換行為往往是鐵電極化與氧空位遷移的共同結果，使得不同機制難以區分，限制了對垂直界面作用的獨立研究。盡管推測氧離子更傾向沿界面遷移，但缺乏直接的原位實驗觀測證據，現有透射電鏡手段也因氧富集區與貧化區的對比度不足而難以清晰解析這一過程。因此，如何設計具有更強氧離子遷移能力、且能夠通過原位手段直觀揭示界面離子動力學的材料與結構，成為有待解決的核心問題。這些瓶頸不僅阻礙了對VAN憶阻機理的深入理解，也限制了其在高性能存儲與類腦計算中的實際應用前景。

針對上述問題，由南京航空航天大學、吉林大學、華東師范大學、南京大學、清華大學以及劍橋大學等組成的科研團隊利用了澤攸科技原位TEM測量系統進行了系統研究，他們通過構建 SrCoO?.?:MgO 垂直納米復合結構并結合原位技術，直接揭示了氧離子沿垂直界面優先遷移的動力學機制，從而闡明了VAN憶阻器電阻切換的本質。相關成果以“In situ observation of oxygen ion dynamics in topological phase change memristors through self-assembled interface design”為題發表在《Science Advances》期刊上。原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adw8513

這篇論文的研究聚焦于解決憶阻器在可靠性與機理認知上的關鍵難題。研究團隊基于類腦計算的發展需求，提出利用自組裝的垂直取向納米復合（VAN）結構來實現可控的氧離子遷移通道。他們選擇具有拓撲相變特性的棕色鈣鈦礦 SrCoO?.?（BM-SCO）與 MgO 復合生長，形成垂直排列的納米柱狀界面。這樣的設計不僅提高了器件的電阻開關性能，也為理解界面主導的離子動力學提供了理想平臺。通過這一結構，研究者展示了器件在存儲與類突觸功能上的優越表現，為實現高效的神經形態計算硬件奠定了基礎。

圖1. 薄膜的結構表征。（A）在LSMO緩沖的STO（001）襯底上生長的BM-SCO和S50M50薄膜的XRD θ-2θ圖譜。a.u.，任意單位。（B）沿[010]晶帶軸投影的S50M50 VAN薄膜的橫截面STEM圖像。（C）沿（B）中紅線提取的S50M50界面的EDS信號強度分布。S50M50 VAN薄膜中單個MgO納米柱的橫截面HAADF-STEM（D）和相應的ABF-STEM（E）圖像。（D）中氧四面體層內的面內取向氧空位通道用綠色箭頭標記。（E）中的插圖是VAN中BM-SCO的FFT圖譜，其中超晶格信號用黃色圓圈標記。（F）BM-SCO:MgO薄膜在垂直界面處的晶體學模型。

在實驗結果中，BM-SCO:MgO VAN 結構器件表現出比單相 BM-SCO 更優的性能，包括免電成型操作、更高的電阻開關比、更強的循環穩定性和更好的一致性。這些性能上的優勢使得器件能夠模擬生物突觸中的短期和長期可塑性，并在神經網絡圖像識別中取得接近理想系統的高精度結果。這不僅凸顯了該結構在存算一體化中的應用潛力，也證明了自組裝納米結構在提高器件可靠性和功能可控性方面的有效性。

圖2. 突觸行為模擬。（A）人工突觸的示意圖。（B）S50M50憶阻器在0 V→+1.5 V→0 V正向偏壓和（C）0 V→-1.5 V→0 V反向偏壓下的連續電壓掃描。（D）S50M50憶阻器的成對脈沖易化（PPF）和（E）成對脈沖抑制（PPD）隨脈沖間隔的變化。插圖顯示相應的脈沖波形。（F）S50M50憶阻器的長時程增強（LTP）和長時程抑制（LTD）。插圖顯示施加的寫入脈沖。電流隨寫入脈沖的幅度（G）、寬度（H）和間隔（I）的變化。

在機理研究方面，團隊重點關注氧離子在電阻切換過程中的遷移路徑。通過原位掃描透射電鏡（STEM）實驗，他們直接觀察到在外加電場作用下，BM-SCO 在垂直界面區域發生相變，由絕緣的棕色鈣鈦礦相轉變為導電的鈣鈦礦 SrCoO??δ。這一過程清晰地反映了氧離子沿界面優先遷移的動力學特征，為理解VAN憶阻器的電阻調控機制提供了首個直接實驗證據。這一突破性的發現，解決了長期以來依賴推測的局限，使得對器件機理的認知達到了原子尺度的精確度。

圖3. 神經形態計算。（A）基于卷積神經網絡（CNN）的交通標志識別示意圖。（B）基于憶阻器交叉陣列模擬神經網絡的電路圖。（C）經過噪聲、旋轉和亮度調整增強后的數據集。（D）識別準確率隨迭代次數的變化。（E）損失值隨迭代次數的變化。（F）三種訓練方法下準確率的比較。

在這一研究中，澤攸科技的原位TEM測量系統發揮了至關重要的作用。該產品配備了精密的電學偏壓系統和高穩定性的鎢探針，可以在透射電鏡環境下實時施加電信號，并與樣品的頂電極保持良好接觸。憑借這種裝置，研究人員能夠在施加外電場的同時，以原子分辨率觀察到氧離子的遷移和局部結構的相變過程。這種“電學刺激與結構觀測同步進行”的方式，使得電阻切換的本質過程得以被直接捕捉和驗證。正是依托于澤攸科技原位TEM測量系統的高穩定性和可控性，研究團隊才得以突破成像與操作的技術瓶頸，將實驗推進到對憶阻機理的直接可視化階段。

圖4. 原位掃描透射電子顯微鏡（STEM）及機理分析。（A）和（C）為S50M50憶阻器在高阻態（HRS）和低阻態（LRS）下的高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像，（B）和（D）為相應的環形明場掃描透射電子顯微鏡（ABF-STEM）圖像。圖像（A）和（C）中疊加的結構模型展示了對比度的對應關系。（D）中的綠色箭頭指示氧四面體層。（E）施加電壓過程中電流與電壓、電流與時間的關系。（F）（C）中虛線區域的快速傅里葉變換（FFT）圖譜。（G）低阻態下垂直界面區域和非垂直界面區域的鈷L邊電子能量損失譜（EELS）對比。（H）BM-SCO:MgO憶阻器在0 V（左）和+5 V（右）下的COMSOL電場模擬。（I）BM-SCO:MgO憶阻器高阻態和低阻態的示意圖，其中SCO的八面體層和四面體層分別以玫瑰紅和淺藍色顯示，青色柱體代表氧化鎂（MgO）。

這篇論文的核心貢獻不僅在于設計出高性能的 VAN 結構憶阻器，還在于利用先進的原位表征手段直觀揭示了氧離子遷移與相變的過程。通過澤攸科技原位TEM測量系統的應用，研究者實現了電學性能與結構演變的同步解析，為未來可控性更強、穩定性更高的憶阻器設計提供了堅實的實驗依據。這一工作為類腦計算器件的進一步發展指明了方向，也展示了高端原位表征技術在材料研究中的獨特價值。