一篇《Advanced Functional Materials》论文背后：扫描热显微镜让 "看不见" 的焦耳热现形
发布日期：2026-08-26
近日，韩国科学技术研究院（KIST）联合仁川国立大学、成均馆大学等团队，在忆阻器随机性起源研究领域取得重要进展。该团队借助美国RHK公司Beetle AFM350扫描探针显微镜搭载的扫描热显微镜-SThM模块，创新性的在纳米尺度实现了多丝忆阻器内部多根导电细丝（conductive filament, CF）焦耳热分布的直接热成像，从而系统揭示了器件随机开关行为的物理起源。该成果以"Unraveling Origin of Stochasticity in Multi-Filamentary Memristor"为题发表于《Advanced Functional Materials》期刊。在这一研究中，SThM技术凭借其亚埃级空间分辨率（XY方向0.5 Å、Z方向0.1 Å）、多通道电学直连热探针的硬件架构，成为破解"电-热耦合"黑箱的核心实验手段。
随机性：新一代计算的"稀缺资源"
随着信息安全加密、蒙特卡洛模拟、概率计算等新兴计算范式快速发展，高质量、稳健的"随机性来源"——真随机数（物理熵源）——正成为稀缺的关键资源。基于离子迁移的易失性忆阻器（volatile memristor）凭借其阈值开关（threshold switching，TS）特性，以及导电细丝随机形成与断裂的本征特性，被公认为极具潜力的物理熵源。
然而，要把忆阻器真正打造成高性能熵源，仍面临两大核心瓶颈：其一，材料层面——需要一套能够主动促进离子迁移、加速导电细丝形成/断裂的材料体系；其二，机理层面——长期以来，学界对多丝忆阻器中随机性的物理起源缺乏定量认识，导电细丝形成/断裂过程中"电-热耦合"（焦耳热）行为难以被直接观测。
直接"看见"随机性：SThM 成为破局关键
针对上述瓶颈，团队提出以"多孔纳米棒（porous nanorods，NRs）氧化物层"增强离子迁移通道的策略，实现了无需后处理的快速器件级数字/模拟随机输出。
而整项研究中最关键、也最具挑战性的环节，是如何直接可视化多根导电细丝的随机动态过程。由于导电细丝在形成与断裂时会伴随明显的焦耳热（Joule heating），纳米尺度的热成像便成为揭示随机性起源的"钥匙"。团队采用美国 RHK公司的 Beetle AFM350 扫描探针显微镜，搭载扫描热显微镜（SThM）功能，直接观测到了多根导电细丝的随机动力学行为，并与电热仿真结果相互印证，确认了器件固有的随机性。
SThM 直接可视化多根导电细丝的随机动力学
a. 扫描热显微镜（SThM）系统示意图。实验采用集成铂蛇形测温元件的自制 SThM 探针监测探针温度（Tp）。右侧示意图：阈值开关忆阻器工作时，热量（Q）从器件传递至探针尖端，引起探针温度 Tp 改变，直接"看见"了多根导电细丝在空间上的竞争导通。
b. 在不同外加电压（Vin）下利用 SThM 采集得到阈值开关忆阻器的热成像图（扫描区域 12 μm × 12 μm）。ΔVST 为探针上与温度相关的电压变化量。所有测试条件下均能观测到热点，并且热点位置随电压升高发生变化，展示多个局域热斑"反复出现与消失"，证实金属离子在器件内部持续再分布、多丝动态竞争。
c. SThM 探针置于主导电细丝所形成最高温热点上方的示意图；附带输入电压 5 V 下测得的热成像图，图中呈现单条主导导电通路。
d. 局部温升与器件电阻随外加电压的变化关系。曲线显示：在电压达到 10 V、二者同步发生突变之前，热点温度持续升高，器件电阻维持相对稳定。
e. 同时存在主导电细丝与新生导电细丝的器件示意图；附带输入电压 8 V 条件下测得的热成像图。测试后的成像结果表明器件内部生成了一条额外的导电通路。
外加 10 V 电压条件下，阈值开关忆阻器实时温升与总电阻测试结果。未施加电压区间内，样品无温升。当脉冲电压施加至样品后，电子开始沿导电细丝通路输运，产生焦耳热效应。棕色区间内，温度先上升后保持恒定；持续一段时间后，温度与总电阻维持稳定，随后在黄色区间同步快速下降。
若电阻随温度降低而减小，代表新生导电细丝通路数量增多；反之，温度下降且电阻上升，则说明相应导电细丝发生损毁。此后，导电细丝通路维持在较低温度与总电阻状态。
a. 通过扫描热显微镜（SThM）采集得到的阈值开关忆阻器热成像图，扫描区域 12×12 μm。
b. 5×5 μm 区域放大热成像图（对应图 (a) 黑色虚线框区域）。
c. 进一步放大的 1×1 μm 区域热成像图，用于精细观测（对应图 (b) 红色虚线框区域）。
d. 沿图 (c) 中 A–A’的线扫描曲线，展示温度分布。热点尺寸根据温度保持稳定的区域进行计算。
从"随机性"到"真随机数"：成果与技术突破
基于该项研究，团队进一步构建了双模态（数字 + 模拟）真随机数发生器（TRNG）与概率计算平台，验证了阈值开关忆阻器作为可调、稳健随机性来源的通用性。这一成果不仅为高可靠真随机数发生器的发展提供了新的材料与器件设计思路，也为基于 AI 的概率计算、下一代神经形态计算器件等方向提供了重要支撑。
Beetle式扫描探针显微镜之所以能够助力这项科研，得益于其四大核心优势：
一是Beetle强大的适配性，既能在大气压环境也能在超高真空环境的变温（35-1000K）扫描探针显微镜，可实现STM功能模式、接触式AFM模式、非接触式AFM模式以及本工作中的SThM功能模式；
二是扫描头配备与扫描头同步工作的激光及位置敏感探测器（Position Sensitive Detector，PSD）检测光路，用于扫描和成像，以保证扫描探针显微镜的测量稳定性。并且更换样品或切换扫描区域时，无需重新调整激光光路或PSD，即可继续进行测量，实现快速、高效的正交光路校准与定位，规避调试繁琐等问题；
三是亚埃级空间分辨率（XY 方向 0.5 Å、Z 方向 0.1 Å），能够分辨本工作中纳米级导电细丝的微小温差分布；
四是扫描头多通道电学连接，可直接接入热探针内置的热电偶，这也是本工作成功实现 SThM 测量的关键所在。
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