引言
随着分析和物联网驱动的数据快速增长，对快速高效计算的需求日益迫切，这要求器件架构和材料不断创新。受人类大脑启发，生物突触固有地集成了数据处理和存储功能，实现了超低功耗和高速并行处理。内存计算能够同时处理存储信息，为克服传统冯·诺依曼架构的局限性提供了有前景的解决方案。在众多内存和神经形态计算技术中，忆阻器因其结构简单、非易失性以及模拟生物突触行为的能力而被视为基础器件架构。然而，传统的垂直忆阻器架构面临界面复杂性、沉积层控制差、制造应力以及难以观察操作期间确切结构变化等挑战。相比之下，平面忆阻器架构，其功能层横向位于两个共面电极之间，通过实现多端配置或光学刺激提供了更大的灵活性。该设计允许对电特性进行精确控制、具有更低的本征电容、脉冲可调特性、易于界面工程以及增强的动态响应。此外，平面器件中无多层堆叠，便于与二维/三维层状材料集成，并可在操作期间进行原位表面表征。
拓扑绝缘体（TI）是一类独特的量子材料，体相为绝缘体，同时在其表面或边缘存在拓扑保护的、无带隙的导电态。这些表面态对缺陷、杂质和散射具有鲁棒性，同时表现出高载流子迁移率，有望实现超快和节能的开关。为了有效利用表面态传导，平面器件架构被认为比传统的垂直配置更合适，因为它使两个电极都能与相同的拓扑表面相互作用。平面架构能够有效利用非耗散边缘通道和高表面迁移率，从而实现超快和节能的量子忆阻器。
结果与讨论
本研究展示了一种利用通过温度梯度法合成的层状单晶Bi2Te3的平面量子拓扑忆阻器（PQTM）架构。该平面架构通过干法转移技术制备，使用自建的微操作器将Bi2Te3薄层转移到预图案化的金电极上，以实现与负责高速开关的拓扑表面态（TSS）直接相互作用。
材料表征显示，剥离的Bi2Te3薄膜具有高单晶质量，晶体生长沿（00l）衍射面取向。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS） mapping显示了Bi和Te元素在表面的均匀分布及所需化学计量比。原子力显微镜（AFM）图像清晰地揭示了Bi23的层状结构。
电学性能测试表明，PQTM表现出形成自由的双极阻变行为，同时具有数字（陡变）阻变（DRS）和模拟（渐变）阻变（ARS）特性。器件实现了超快的直流阻变性能，SET时间约为15±5纳秒，RESET时间约为37±3纳秒，这是目前基于拓扑绝缘体的忆阻器中记录的最高速度。这种优异性能归因于器件的平面架构能够有效利用拓扑绝缘体表面的非耗散态，提供抗散射和节能的传导通道，这对于实现超快阻变器件至关重要。扫描隧道显微镜/谱（STM/S）测量确认了样品中拓扑表面态的存在。
稳定性评估显示，器件在103次连续直流开关循环中表现出优异的耐久性，高阻态（HRS）和低阻态（LRS）均保持稳定，开关比超过2×102。保持测试显示其非易失性保持能力可达105秒，表明可靠的长期操作。在24个独立制备的器件上验证了良好的器件间可重复性。通过改变合规电流（Icc），器件实现了多级阻变（MRS），显示出七个不同的LRS电流水平。
在神经形态应用方面，PQTM成功模拟了关键突触行为，如长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）。施加连续电压脉冲可实现器件电导的调制，类似于生物突触中权重的变化。LTP曲线显示出两相权重变化，类似于直流I-V循环中观察到的陡变（DRS）和渐变（ARS）转变，突出了PQTM在高效存储和突触仿真方面的多用途应用潜力。每个突触事件的平均能耗估计约为14.5纳焦耳，显示出与生物突触兼容的超低能耗操作。此外，通过软件仿真，利用一维卷积LeNet模型对MNIST数据集进行图像识别，展示了出色的数字识别性能，准确率超过90%，验证了PQTM在神经形态计算中的应用潜力。
结论
总之，通过温度梯度法合成了高质量的Bi23单晶，并通过机械剥离和微操作器技术制备了二维平面量子拓扑忆阻器（PQTM）。所得PQTM表现出形成自由、超快开关时间、低能耗的双极阻变特性，具有高开关比、优异的耐久性和保持特性。器件在多个样品间展现出良好的可重复性、多级阻变能力以及模拟突触功能。图像识别特性进一步证实了其在神经形态应用中的潜力。PQTM构型固有地暴露了有源层用于光学刺激，为未来光电子和光子神经形态应用提供了一个有前景的平台。
实验部分
器件制造涉及无掩模光刻、电子束蒸发和微操作器设置。使用垂直温度梯度法合成拓扑绝缘体单晶。材料表征包括X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜/谱（STM/S）。标准电学表征使用吉时利2636A源测量单元（SMU）进行，脉冲仿真使用安捷伦B1500半导体参数分析仪及其脉冲测量单元（PMU）完成。
