阻变存储器是利用薄膜材料在电激励条件下薄膜电阻在不同电阻状态（高阻态和低阻态）之间的互相转换来实现数据存储的，具有单元尺寸小、读写速度快、功耗低、制备工艺和器件结构简单等优点。理解高低组态相互转化的微观机制对于设计和优化阻变存储器是至关重要的。目前，对于导电桥类型的阻变存储器的阻态翻转机理，如导电丝的形貌、导电丝的动态演变过程和化学组分等已经被广泛研究。而对于氧空位类型的阻变存储器的阻态翻转机制，目前研究相对匮乏。因此，对于导电通道的建立和氧空位形成之间的关系，导电通道在哪里形成、导电通道在何处断裂等基本问题还存在争议。因此，亟需一种直观的方法表征阻变存储器的阻态翻转过程、验证和甄别其物理机制，为提高器件的存储性能提供可靠的依据。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室“现代分析电子显微学及其在材料科学中的应用”研究小组的博士生李超、副研究员姚湲、研究员禹日成，与北京大学博士高滨、教授康晋锋和中科院物理所微加工实验室研究员李俊杰、顾长志等合作，将电子全息技术、能量过滤像技术和原位技术相结合，在透射电子显微镜中实时观察了HfO₂基阻变存储器中的阻态翻转过程。结果表明，在Forming过程中，电子逐渐从负极迁移，穿过整个HfO_x层，到达HfO_x的上界面，而在Reset过程中，电子又逐渐地从HfO_x的上界面退回，表明阻态的翻转发生在HfO_x层的上界面。同时，原位的能量过滤像结果表明，氧空位在绝缘的HfO_x层逐渐产生，并形成通道连接两个电极。这一结果阐明了阻变存储器的电学性能与氧空位的微观分布之间的关系，对于理解阻变机制提供了直观的证据。其题为Direct Observations of Nano-filament Evolution in Switching Processes in HfO₂-based Resistive Random Access Memory by in situ TEM studies 的研究工作发表在《先进材料》（Advanced Materials，2017, 29, 1602976）杂志上，并被选为封面文章。

相关研究得到了科技部（2016YFA0300701）、国家自然科学基金委（10974235）和中科院的支持。

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    图1 Forming过程的相位图。在偏压的作用下，负电荷从底电极积累，并逐渐遂穿过AlO_y层，HfO_x层并最终到达HfO_x上界面。

    图2 Reset过程的相位图。在负偏压的作用下，负电荷逐步从顶电极退回去，当负偏压为-6.5V时，电阻从低阻态回到高阻态，此时导电通道从顶电极断开。

    图3 阻变存储器在不同偏压下的低能能量过滤像，从中可以观测氧浓度的变化。氧空位首先出现在顶电极和底电极的位置，随着偏压的增大，逐步形成氧空位通道，这与电子全息的结果是一致的。

    图4 HfO₂基阻变存储器的阻态翻转示意图。第一列为动态过程示意图，第二列为模拟结果，第三列为实验的相位图。

杂志封面图片。