忆阻器是一类非常重要的器件，在存储、逻辑特别是在类脑计算领域有着巨大的应用前景。作为非易失性存储器，忆阻器未来有望取代闪存，在速度、循环寿命、集成密度等很多性能上都更有优势。作为逻辑元件应用，忆阻器可以用来实现非易失性布尔逻辑。特别是当前世界范围内都在启动脑计划，研制新一代类脑计算机。忆阻器的物理性质在本质上可以用来实现大脑神经网络里面数量最多的基本单元神经突触的功能。所以研究稳定高性能的忆阻器，特别是弄清楚忆阻器运行的物理机制至关重要。忆阻器可以分为两大类，分别是基于金属导电细丝机制的CBRAM（Conductive bridge RAM）和基于氧空位导电细丝机制的VCM (valance change memory)。其中，CBRAM的物理机制近几年已经通过原位电镜等技术取得了巨大进展，但是关于氧化物忆阻器的物理机制研究一直是有挑战性的问题。
忆阻器的工作本质上都是基于离子输运，再通过氧化还原反应形成导电细丝。虽然研究VCM物理机制的研究组非常多，但一直没有大的进展，根本原因在于原位TEM技术关注的仅仅是离子一方面的属性，也就是质量，而氧元素的原子序数太低，不适合这种方法。其实离子还有另外一个重要的属性，就是电荷，而这个属性无论对于重元素还是轻元素是等价的，而以前的研究往往忽略了这一点。所以我们利用静电力显微技术（EFM）来表征氧化物忆阻器中的离子输运，通过多功能的扫描探针显微技术（SPM）可以原位观测在不同电激励条件下样品表面的形貌和局域电荷、介电状态的变化。我们发现随着忆阻器操作电压的升高，电荷在表面聚集的越来越多，而当操作电压超过阈值电压时，局域的介电系数发生了变化从而对应了氧化物薄膜电学性质的变化。此外我们采用了多种手段，包括retention实验、改变电场方向以及在不同氧化物中离子输运的对比实验等，反复确认了我们观察到的电荷积累确实对应的是氧化铪中的氧离子。这一系列实验充分地证明了采用EFM手段，通过关注离子的电荷而非质量属性，能够成功地表征氧化物忆阻器中的离子输运。关注离子的电荷属性，并不意味着放弃质量属性，而是更好地兼顾两方面的性质。与EFM表征相结合，先通过扫描探针技术定位导电细丝形成的区域，再进行TEM表征，我们成功利用球差校正电镜成功的观察到了氧空位导电细丝的存在，与EFM表征相互印证，结果高度统一。另外我们还系统验证了氧化物忆阻器中离子输运的可逆性，这也是忆阻器能够循环操作的物理基础。基于这一系列工作，我们获得了关于VCM原位运行过程中清晰的物理图像。该工作“Probing nanoscale oxygen ion motion in memristive systems”已发表在Nature Communications 2017,8,15173 Doi:10.1038/ncomms15173 (2017).
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