本文由Mir Waqas Alam、Ayangla Jamir、Bendangchila Longkumer、Basma Souayeh、Shima Sadaf和Borish Moirangthem等作者共同撰写，分别来自沙特阿拉伯国王费萨尔大学、印度那加兰大学和印度国家技术学院。该研究于2025年发表在《Journal of Alloys and Compounds》期刊上，题为“Bipolar Resistive Switching Behavior of Bilayer β-Ga2O3/WO3 Thin Film Memristor Device”。本文主要研究了基于双层β-Ga2O3/WO3薄膜（TF）的异质结构忆阻器（Memristor）的双极电阻开关行为，并探讨了其在未来电阻式随机存取存储器（RRAM）应用中的潜力。

研究背景与动机

忆阻器作为一种新兴的电子器件，因其简单的设计、高密度集成、低功耗和快速操作等特点，在存储器、逻辑电路、神经网络和传感应用中引起了广泛关注。忆阻器通过施加电压脉冲改变其电阻状态，从而实现数据存储。此外，忆阻器还具有内部计算能力，能够直接在器件内部进行计算和存储，避免了传统冯·诺依曼架构中数据移动的限制。金属氧化物（如β-Ga2O3、WO3、HfO2等）因其成熟的制备工艺和稳定的电阻开关特性，被广泛用于忆阻器研究。然而，单层金属氧化物忆阻器在电阻开关参数（如低阻态和高阻态的稳定性）方面存在不一致性，阻碍了其商业化应用。因此，研究人员提出了通过引入中间层（如WO3）来改善电阻开关性能，进而提升忆阻器的整体性能。

研究方法与实验流程

本研究采用电子束蒸发技术制备了Au/β-Ga2O3/WO3 TF/Ag异质结构忆阻器。首先，通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散光谱（EDS）表征了样品的纯度。原子力显微镜（AFM）分析表明，单层WO3 TF和双层β-Ga2O3/WO3 TF的均方根粗糙度分别为4.56 nm和2.20 nm。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步证实了WO3样品中存在更多的氧空位。光学测量结果显示，β-Ga2O3 TF和WO3 TF的带隙分别为4.35 eV和3.66 eV。此外，电学特性测试表明，该忆阻器在室温下表现出良好的双极电阻开关行为，电阻比为182，耐久性为300次循环，数据保持时间为103秒。器件的设置功率为1.17 mW（1.74 mA，+0.67 V），重置功率为2.50 mW（7.16 mA，-0.35 V）。

主要结果与讨论

1. 结构与光学表征：XRD分析表明，样品中未检测到杂质峰，证实了样品的纯度。FESEM图像显示，β-Ga2O3/WO3 TF/Ag异质结构成功沉积在p型硅衬底上。AFM分析进一步表明，双层异质结构的表面粗糙度低于单层WO3 TF，这归因于界面处的晶格失配导致的应变。XPS分析表明，WO3样品中的氧空位比例高于β-Ga2O3样品。光学吸收光谱显示，双层异质结构的带隙低于单层材料，这归因于界面处陷阱态的产生。

2. 电学分析与电阻开关机制：通过电流-电压（I-V）特性测试，研究了忆阻器的电阻开关行为。结果表明，器件的电阻开关行为主要由低阻态（LRS）中的欧姆传导和高阻态（HRS）中的Child’s平方律、陷阱电荷限制传导（TCLC）和欧姆传导共同主导。器件的耐久性测试表明，其在300次循环中表现出稳定的电阻开关行为，数据保持时间长达103秒。此外，通过半对数I-V曲线拟合，进一步验证了电阻开关机制。

结论与意义

本研究成功制备了基于双层β-Ga2O3/WO3 TF的异质结构忆阻器，并研究了其双极电阻开关行为。实验结果表明，该器件具有良好的电阻开关性能，包括高电阻比、低功耗和长数据保持时间。这些特性使其在未来忆阻器存储器应用中具有广阔的前景。此外，本研究还揭示了氧空位在电阻开关机制中的关键作用，为未来忆阻器器件的设计和优化提供了重要的理论依据。

研究亮点

1. 创新性：本研究首次采用电子束蒸发技术制备了β-Ga2O3/WO3双层异质结构忆阻器，并系统研究了其电阻开关行为。
2. 高性能：该忆阻器表现出优异的电阻开关性能，包括高电阻比（~182）、低功耗（设置功率1.17 mW，重置功率2.50 mW）和长数据保持时间（103秒）。
3. 理论贡献：通过XPS和I-V特性分析，揭示了氧空位在电阻开关机制中的关键作用，为忆阻器器件的设计和优化提供了新的思路。

其他有价值的内容

本研究还通过对比其他文献中的忆阻器性能，进一步验证了该双层异质结构忆阻器的优越性。此外，研究团队还感谢了沙特阿拉伯国王费萨尔大学、印度国家技术学院等机构在实验设备和资金方面的支持。