清華新聞網(wǎng)7月17日電 大數(shù)據(jù)時(shí)代需要硬件具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和低功耗，而基于離子遷移的神經(jīng)形態(tài)憶阻器在近年來(lái)引起了廣泛關(guān)注。目前，基于塊狀材料的憶阻器可以通過(guò)金屬離子/空位的調(diào)制實(shí)現(xiàn)多態(tài)操作，但仍面臨集成度低、柔性差等挑戰(zhàn)。鑒于此，具有原子級(jí)厚度的二維（2D）材料有望用于制造具有高集成密度和良好柔性的憶阻器。此外，電導(dǎo)變化的高線(xiàn)性度、可操作的組態(tài)數(shù)、器件均一性及工作電流對(duì)2D材料基憶阻器的應(yīng)用有重要影響。為了提高2D材料基憶阻器的性能，使用具有內(nèi)部功能成分的離子型2D材料以代替外部離子賦予功能成分的材料是一個(gè)潛在的解決方案。
近期，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院成會(huì)明、劉碧錄團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于離子型二維CuInP2S6的高性能憶阻器。CuInP2S6（CIPS）是一種具有本征可移動(dòng)離子的層狀材料，電場(chǎng)作用下內(nèi)部Cu離子的遷移可將CIPS的電阻從絕緣狀態(tài)切換到導(dǎo)電狀態(tài)。由于其本征離子和材料有較好的適配度，有望通過(guò)控制CIPS中內(nèi)部離子的遷移而獲得的高性能憶阻器。在此項(xiàng)研究中，研究人員在原位掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，CIPS內(nèi)部的Cu離子可以在電場(chǎng)的作用下遷移，并且Cu離子遷移過(guò)程可以通過(guò)改變電場(chǎng)的極性來(lái)調(diào)控。通過(guò)控制內(nèi)部離子輸運(yùn)，CIPS器件的電導(dǎo)呈現(xiàn)出高達(dá)1350個(gè)連續(xù)的線(xiàn)性變化狀態(tài)。并且，CIPS憶阻器的操作電流約100 pA，比大部分基于導(dǎo)電細(xì)絲的憶阻器低7個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，多個(gè)CIPS憶阻器在同一條件下的電學(xué)性能具有良好的均一性。最后，該研究在基于CIPS憶阻器的模擬系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高精度的模式識(shí)別，并通過(guò)CIPS器件陣列實(shí)現(xiàn)了多個(gè)神經(jīng)元之間的復(fù)雜信號(hào)傳輸行為。這些結(jié)果表明，離子型CIPS憶阻器是在未來(lái)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算應(yīng)用中有很好的潛力，并為制備高性能神經(jīng)形態(tài)憶阻器的材料選擇提供了新思路。
離子型CIPS的結(jié)構(gòu)和Cu離子的遷移表征
離子型二維CIPS憶阻器的電學(xué)性能
離子型二維CIPS憶阻器的計(jì)算性能
CIPS器件陣列在復(fù)雜信號(hào)傳輸中的應(yīng)用
相關(guān)研究成果近期以“離子型2D CuInP2S6中的內(nèi)部離子傳輸用于實(shí)現(xiàn)低操作電流的多狀態(tài)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算”（Internal ion transport in ionic 2D CuInP2S6 enabling multi-state neuromorphic computing with low operation current）為題發(fā)表在期刊《今日材料》（Materials Today）上，并被選為當(dāng)期“值得關(guān)注的論文”（Highlighted Paper）及封面。
本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院成會(huì)明教授和劉碧錄教授，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)博士生孫宇杰和2019級(jí)博士生張榮杰。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院博士后王經(jīng)緯、2023屆博士生騰長(zhǎng)久、2018級(jí)博士研究生譚雋陽(yáng)、2023屆碩士生張澤豪、2021級(jí)碩士研究生李晟楠，佛山大學(xué)趙仕龍博士和陳文駿博士。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省“珠江人才計(jì)劃”引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃、深圳市工信局制造業(yè)創(chuàng)新中心等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.04.013
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：陳曉艷
審核：周襄楠
