相关论文：Origin of current-controlled negative differential resistance modes and the emergence of composite characteristics with high complexity
课题组：刘新军

【引言】 

　　电流控制的负微分电阻（NDR, negative differential resistance）现象，在构建元器件方面具有巨大的潜力，既可以用作选通管（Selector）嵌入到交叉结构存储器阵列中解决漏电流问题，也可以用作振荡器（Oscillator）实现神经元的动作电位模仿大脑处理信号的功能。但是，研究者们对NDR产生的基本物理机制以及用NDR构建元器件的设计标准缺乏共识。因此，制备具有理想NDR特性的器件（对于实际应用至关重要）仍然具有极大的挑战性。     

【成果简介】

　　近日，我系刘新军副教授（共同通讯作者，http://physics.tju.edu.cn/faculty/MTc2MDgx/）与澳大利亚国立大学Robert Elliman教授（共同通讯作者, https://physics.anu.edu.au/contact/people/profile.php?ID=105）合作研究的相关论文“Origin of current-controlled negative differential resistance modes and the emergence of composite characteristics with high complexity”已发表于AdvancedFunctional Materials（IF：15.621）。该研究创新性地提出一种独立于材料种类和物理机制的模型，并在实验上得到证实，为负微分电阻（NDR）现象作出了普适性解释。

　　研究者们通过考虑氧化物薄膜中的不均匀电流分布及其对器件有效电路的影响，利用氧化物电阻对温度的非线性相关性，构建了包括不连续的“回跳（snap-back）”型NDR、两个连续NDR、一个连续NDR和一个“回跳”型NDR组合等在内的多种复杂NDR特性。然后将模型的预测与实验观察结果进行比较，表明了连续的S型NDR和不连续的“回跳”型NDR特性是具有更高复杂性的组合行为的基础。最后，通过为新兴电子器件应用和神经形态计算应用提供具有新颖功能特性的非传统组合行为，证实了所提模型方法在预测和工程化方面具有很大潜力。

　　后续合作研究的相关论文“Currentlocalization and redistribution as the basis of discontinuous current controlled negative differential resistance in NbOx”也刚发表在AdvancedFunctional Materials上。该文提供了不连续“回跳”型NDR过程中温度变化的重要证据，将NDR的本质和不同时刻在空间上的电流局域化-再分布或电流分叉现象建立起关联。关于电流-电压特性中的正负不对称和纳米尺度器件电流分布特性的进一步实验以及定量解析仍在进行中…….所有这些结果对构建复杂NDR以及研究神经元网络有重要启示。

【图文解析】   

　　 图1. a）本研究中使用的金属-氧化物-金属交叉点器件结构示意图。 b）在电压控制操作下测得的电流-电压特性。在电流控制操作下测得的电流-电压特性，分别显示出c）连续的S型和d）不连续的“回跳（snap-back）”特性。 

　　图2. 忆阻器芯-壳（Core-Shell）结构模型及其电特性：a）外壳电阻（RS）恒定且大于芯（Rm1）的负微分电阻。 b）外壳电阻恒定且小于芯的负微分电阻。橙色实线显示没有并联RS时Rm1的电流-电压曲线。 c）外壳作为第二个忆阻器（Rm2），其电阻随电流变化。 红色和橙色实线代表Rm1和Rm2各自的电流-电压特性。 

　　图3. a）动态电阻|dV/dI|与忆阻器电流Im的函数关系图。 插图定义了RNDR为负微分电阻绝对值|dV/dI|的最大值。 b）模拟获得的连续S型NDR器件的温度-电流曲线和电压-电流曲线（RS>>RNDR）。 器件温度随着电流的增加连续增加。c）模拟获得的快速“回跳（snap-back）”型NDR器件的温度-电流曲线和电压-电流曲线（RS<RNDR）。起始温度相对较低，保持在约450 K，然后温度突然升高。d）针对组合NDR行为的两个有源NDR区域的温度进行模拟，该区域由一个连续S型和一个“回跳”NDR组成。

　　图4. 通过模拟两个连续S型NDR忆阻器的并联，预测各种组合NDR特性，包括a）两个连续NDR的共存，b）一个连续S型NDR与一个快速“回跳”NDR的共存，以及c）两个快速“回跳”NDR的共存。 d–f）实验上在单个NbOx器件中测量得到的组合NDR特性。 g–i）实验上在耦合NbOx器件中测量得到的组合NDR特性，该耦合器件是通过并联两个分立NDR器件实现的。注意：除使用简单的非线性电阻-温度模型进行模拟和预测组合NDR特性外，所有组合行为也已经通过Poole-Frenkel导电机制进行了模拟和预测（参看支持信息中的图S4），证实了这种芯-壳（Core-Shell）结构相关联的各种NDR特性独立于具体的物理模型。 

　　图5. a）模拟仿真中使用的振荡器电路示意图。 b）预测到的一个非常规组合NDR行为，包括正向电流扫描中的一个连续S型NDR 和一个“回跳” NDR以及反向扫描中的两个连续S型NDR区域。 c，d）施加7.5 V直流电压脉冲时，在时域中的电流振荡和相应的递归（recurrence）图（Δt= 0.6 μs）。e，f）施加8.7 V直流电压脉冲时，在时域中的电流振荡和相应的递归图（Δt= 0.6 μs）。

【作者简介】

　　刘新军副教授主要从事氧化物薄膜材料的制备和物性研究工作，在忆阻器应用于神经元器件方面有着丰富的经验，目前已在Advanced FunctionalMaterials、Physical Review Applied、Nanotechnology、APL、IEEEEDL等期刊上发表SCI收录论文77篇（第一作者21篇，通讯7篇，h-因子=19），已授权美国专利2项和中国发明专利3项。同时是AppliedPhysics Letters、IEEE Electron DeviceLetters等多个学术期刊的审稿人，是国际电气和电子工程师协会 (IEEE) 和美国材料研究协会 (MRS) 会员。 

【全文链接】

Origin of current-controlled negative differential resistance modes and the emergence of composite characteristics with high complexity; Advanced Functional Materials; https://doi.org/10.1002/adfm.201905060Current 

Localization and redistribution as the basis of discontinuous current controlled negative differential resistance in NbOx; Advanced Functional Materials; https://doi.org/10.1002/adfm.201906731