【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維過渡金屬硫族化合物(TMDCs)橫向憶阻器是神經(jīng)形態(tài)計算的理想電學元件，有望在提升算力的同時降低運算能耗，滿足日益增長的數(shù)據(jù)運算需求。然而，目前二維TMDCs橫向憶阻器的阻變能力較差，阻變比不高，在很大程度上影響了神經(jīng)形態(tài)計算的準確度和可靠性。究其原因，現(xiàn)有的阻變機制難以實現(xiàn)對二維TMDCs材料的可逆、深度摻雜。
 

　　基于上述關鍵問題，受生物“氣體-受體”信號通路的啟發(fā)，清華大學材料學院劉鍇副教授團隊與谷林教授團隊合作，提出了一種氣體(H2O)-受體(缺陷)協(xié)同作用機制，使MoS2橫向憶阻器阻變比提升了超過10000倍。其中，氣體是指環(huán)境中以H2O為代表的氣態(tài)摻雜分子，受體是指通過激光直寫局域熱氧化法在二維TMDCs材料中人為引入的缺陷。研究人員通過理論計算和實驗證明，缺陷的引入會顯著促進水分子對MoS2的摻雜效果，呈現(xiàn)出氣體-受體協(xié)同增強的摻雜效果。基于該機制的二維橫向憶阻器的阻變機理為：施加正或負的源漏電壓，可逆地控制氣體摻雜劑在二維溝道表面的吸附/脫附行為，進而控制氣體摻雜劑對二維溝道的摻雜效果以實現(xiàn)電阻態(tài)的調(diào)控。該氣體-受體協(xié)同作用機制廣泛適用于MoS2、WS2、ReS2和SnS2等多種二維TMDCs材料以及H2O和O2等多種氣體氛圍。
 

適用于二維TMDCs神經(jīng)形態(tài)器件的氣體-受體協(xié)同作用機制
 

　　基于氣體-受體協(xié)同作用機制，研究人員實現(xiàn)了高性能、多功能人工突觸和人工痛覺感受器應用。人工突觸成功模擬了同突觸可塑性和異突觸可塑性功能：在同突觸可塑性功能中，人工突觸不僅實現(xiàn)了學習、記憶依賴的STDP行為，同時其LTP和LTD性能具有超大的動態(tài)范圍(>200)、超多的電阻態(tài)數(shù)目(28)、良好的線性度和超低的編程功率Pprog(<100pW)和讀取功率Pread(<1pW)。
 

　　在異突觸可塑性功能中，實現(xiàn)了通過控制環(huán)境濕度和Vg脈沖對突觸可塑性的調(diào)制。人工痛覺感受器模擬了生物痛覺感受器的特征行為，包括閾值、無適應現(xiàn)象、痛覺過敏和痛覺超敏等，并且具有對不同強度刺激的差異化響應能力。這一研究為高性能、多功能且結構簡單的二維神經(jīng)形態(tài)器件提供了一種解決方案，并且加深了人們對缺陷在二維材料阻變現(xiàn)象中作用的理解。
 

　　相關研究成果以“生物啟發(fā)的氣體-受體協(xié)同作用實現(xiàn)高性能二維神經(jīng)形態(tài)器件”(Bioinspired gas-receptor synergistic interaction for high-performance two-dimensional neuromorphic devices)為題，于3月17日在線發(fā)表于《物質(zhì)》(Matter)。
 

　　清華大學材料學院2020級博士生趙鉑琛為論文第一作者，材料學院副教授劉鍇為論文通訊作者。其他重要合作者包括清華大學材料學院教授谷林和博士后王祎馳等。研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和清華大學水木學者等的資助。