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（A01组）的博士生李超、姚湲副研究员、禹日成研究员，与北京大学高滨博士、康晋锋教授和物理所微加工实验室的李俊杰、顾长志研究员等合作，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HfOx层，到达HfOx的上界面，而在Reset过程中，电子又逐渐地从HfOx的上界面退回，表明阻态的翻转发生在HfOx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HfOx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。