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非馬爾可夫（non-Markov chain）過程對于實現(xiàn)數(shù)據(jù)預測等復雜算法具有重要意義。在非馬爾科夫鏈中，下一狀態(tài)不僅與當前狀態(tài)相關, 還與上一狀態(tài)轉換到當前狀態(tài)的路徑相關。相比于馬爾科夫鏈，非馬爾可夫鏈更接近現(xiàn)實，準確度更高，更有利于實現(xiàn)數(shù)據(jù)預測等復雜算法。對于傳統(tǒng)器件，實現(xiàn)該功能需要集成大量晶體管和存儲元件，由此帶來的結構復雜、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用潛力，逐漸受到學者的廣泛關注。目前已有工作利用二維RRAM器件實現(xiàn)馬爾可夫過程相關功能，但想要通過二維RRAM器件實現(xiàn)更加復雜的算法，需要RRAM具備實現(xiàn)非馬爾可夫過程的能力，因此還需要進一步的探索。
近日，清華大學深圳國際研究生院材料研究院成會明和劉碧錄團隊使用二維礦物材料云母制備了雙端RRAM器件（使用DaLI無掩膜光刻機構建電極），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，形成三明治結構的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。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器件及其電學特性
圖2. 在單片二維礦物材料RRAM中實現(xiàn)非馬爾可夫鏈功能
相關成果近日以“基于二維礦物材料的RRAM器件實現(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《科學通報》（Science Bulletin）上。清華大學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助理教授廖武剛、清華-伯克利深圳學院18級博士生滕長久。
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