纳米柱状WO3?x 忆阻器中缺陷迁移调控增强生物突触可塑性行为

本研究针对纳米尺度忆阻器突触功能不可靠的难题，通过掠射角沉积技术构建纳米柱状WO3?x 结构，利用氧空位(V O )浓度梯度限制离子迁移，实现了线性电导调制和"经验依赖性可塑性"等高级神经形态功能，为高密度低功耗神经形态芯片开发提供新策略。

　　

在人工智能爆发式发展的今天，传统计算机的"内存墙"问题日益凸显——数据需要在处理器和存储器之间来回搬运，就像用吸管喝珍珠奶茶时总被卡住的珍珠，严重制约了大数据处理效率。科学家们将目光转向了人脑的运作机制，那里有千亿个神经元通过突触并行处理信息，能耗仅为计算机的百万分之一。忆阻器(Memristor)因其结构类似生物突触、具备存算一体特性，成为构建神经形态计算系统的理想元件。然而，纳米尺度下氧空位(V
_O
)的随机迁移会导致导电细丝不可控生长，就像野火般难以预测，使得突触权重调节功能严重不稳定，这成为制约高密度集成的关键瓶颈。

针对这一挑战，来自印度科学教育研究所的研究团队在《Applied Surface Science》发表创新成果。他们采用掠射角沉积(GLAD)技术，在钨氧化物(WO_3?x
)中构建了垂直排列的纳米柱结构，通过限制V
_O
迁移路径，成功实现了纳米尺度下可靠的生物突触功能模拟。研究团队运用导电原子力显微镜(cAFM)作为纳米探针，结合X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)等表征手段，揭示了纳米柱内部与边界区域的V
O
浓度梯度是调控离子迁移的关键。

纳米结构薄膜生长
通过对比常规沉积(θ_g
=0°)和掠射角沉积(θ_g
=85°)制备的WO_3?x
薄膜，SEM显示后者形成致密纳米柱阵列，直径约50-80 nm，柱间存在明显间隙。这种特殊结构使有效电阻切换区域缩小至单个纳米柱尺度。

形态与化学分析
XPS深度剖析显示纳米柱内部缺氧程度(WO_2.7
)显著高于柱间边界(WO_2.9
)，形成天然的V
_O
浓度梯度。cAFM映射证实纳米柱顶部的电阻切换行为具有高度可重复性，而传统薄膜器件则表现出随机分布的导电细丝。

电学特性与突触行为
在10⁴
次循环测试中，纳米柱器件展现出8%的电阻波动率，远低于薄膜器件的35%。更引人注目的是，通过调节脉冲频率(1-100 Hz)，成功模拟出生物突触特有的"尖峰时序依赖可塑性(STDP)"和"尖峰速率依赖可塑性(SRDP)"现象。当施加间隔50 ms的双脉冲时，突触后电流增强率达165%，符合Hebbian学习法则。

结论与展望
该研究通过纳米结构工程实现了WO_3?x
忆阻器从材料到器件的协同优化，其"经验依赖性可塑性"特性可模拟大脑的BCM学习规则。这种将缺陷迁移限制在纳米柱内的策略，为开发亚100 nm神经形态器件提供了普适性方法。未来通过与二维材料(如MoS₂
)或MXene的异质集成，有望进一步降低操作能耗至飞焦耳级别，推动类脑计算硬件走向实用化。