用于神经形态硬件的氧化铌薄膜的相位依赖性光学和电学性质

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Phase-dependent optical and electrical properties of niobium oxide thin films for neuromorphic hardware

　　

摘要

氧化铌（NbO_x）忆阻器在模拟神经元行为方面展现出巨大的潜力，为神经形态计算提供了有力支持。然而，由于铌具有多种价态，因此其复杂的相组成对器件性能有着至关重要的影响。在本研究中，我们通过在磁控溅射沉积过程中调节氧浓度和温度，实现了对NbO_x薄膜相（包括NbO、NbO₂、Nb₂O₅及混合相）的精确控制。所得到的相组成图谱通过密度泛函理论（DFT）计算得到的形成能得到了验证。全面的光学和电学表征揭示了NbO_x的相组成如何控制其内在特性——如光学带隙、电阻切换行为以及负微分电阻特性。此外，在Pt/NbO_x/Pt器件中，我们发现电场驱动的导电性受氧空位浓度和迁移率的影响。这一机制通过开尔文探针力显微镜（KPFM）得到了直接可视化，该技术能够绘制出与空位迁移相关的电势分布和电荷密度图。这些发现为NbO_x忆阻器的优化设计提供了重要见解，并为下一代神经形态硬件的发展奠定了基础。