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非馬爾可夫（non-Markov chain）過程對于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)測等復(fù)雜算法具有重要意義。在非馬爾科夫鏈中，下一狀態(tài)不僅與當(dāng)前狀態(tài)相關(guān), 還與上一狀態(tài)轉(zhuǎn)換到當(dāng)前狀態(tài)的路徑相關(guān)。相比于馬爾科夫鏈，非馬爾可夫鏈更接近現(xiàn)實(shí)，準(zhǔn)確度更高，更有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)測等復(fù)雜算法。對于傳統(tǒng)器件，實(shí)現(xiàn)該功能需要集成大量晶體管和存儲元件，由此帶來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高等問題。基于二維材料的RRAM器件因其高操作速度、高集成密度、以及其在算法中的應(yīng)用潛力，逐漸受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前已有工作利用二維RRAM器件實(shí)現(xiàn)馬爾可夫過程相關(guān)功能，但想要通過二維RRAM器件實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的算法，需要RRAM具備實(shí)現(xiàn)非馬爾可夫過程的能力，因此還需要進(jìn)一步的探索。
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院材料研究院成會明和劉碧錄團(tuán)隊(duì)使用二維礦物材料云母制備了雙端RRAM器件（使用DaLI無掩膜光刻機(jī)構(gòu)建電極），并利用材料內(nèi)部鉀離子的遷移這一特性，首次在單片RRAM器件中實(shí)現(xiàn)了非馬爾可夫鏈功能。本文以二維云母為中間層，上下兩層石墨為電極，形成三明治結(jié)構(gòu)的RRAM器件。在-2~2V和-5~5V兩種電壓掃描測試條件下，器件分別展示單窗口阻變和雙窗口阻變行為，多樣的電流-電壓特性有利于實(shí)現(xiàn)基于電場調(diào)控的多功能化。該器件表現(xiàn)出了高開關(guān)比（103）、高循環(huán)穩(wěn)定性（可循環(huán)超過200次）和長時間穩(wěn)定性（持續(xù)時間大于108秒）等特點(diǎn)。并且在電壓調(diào)控作用下，器件能夠產(chǎn)生三種電阻態(tài)：即絕緣態(tài)、低阻態(tài)、高阻態(tài)。電壓改變會導(dǎo)致三種阻態(tài)之間的切換，初始電阻態(tài)不僅會對下一次阻態(tài)有影響，同時也能對第二次阻態(tài)產(chǎn)生影響，從而在二維云母RRAM器件中實(shí)現(xiàn)了非馬爾可夫鏈功能。
本研究展示了二維礦物材料RRAM器件在電場調(diào)控下的阻變特性，揭示了其阻變原理，對于基于二維材料的器件實(shí)現(xiàn)非馬爾可夫鏈提出了可行的方法，對未來人工智能和大數(shù)據(jù)算法等領(lǐng)域有啟示意義。
圖1. 基于二維云母礦物中的內(nèi)部離子遷移形成的RRAM器件及其電學(xué)特性
圖2. 在單片二維礦物材料RRAM中實(shí)現(xiàn)非馬爾可夫鏈功能
相關(guān)成果近日以“基于二維礦物材料的RRAM器件實(shí)現(xiàn)非馬爾可夫鏈功能”（Realization of a non-markov chain in a single 2D mineral RRAM）為題發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）上。清華大學(xué)深圳國際研究生院成會明教授和劉碧錄副教授為本文通訊作者，清華-伯克利深圳學(xué)院19級博士研究生張榮杰和博士后陳文駿為本文共同第一作者，論文作者還包括深圳大學(xué)助理教授廖武剛、清華-伯克利深圳學(xué)院18級博士生滕長久。
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