河北大學閆小兵課題組Nano Energy: “以小博大”,結構優化助力實現低功耗可十進制計算的MXene憶阻器

【引言】

人腦可以結合語言、視覺、聽覺和計算等多種復雜的認知功能于一身，這主要歸功于其中10¹¹數量的神經元和10¹⁵數量的神經突觸所構成的集合統一結構。憶阻器在傳輸原理及結構方面與神經突觸具有天然的相似性，因此被認為是模擬人工神經突觸最有潛力的電子器件之一。作為二維材料家族的新興成員，MXene Ti₃C₂在本課題組的工作 (Small 2019, 15, 1900107)中已被提出具有作為傳統金屬氧化物憶阻器功能層可替代材料的潛力，且表現出了超快的脈沖調控速度。然而開關過程中的電流突變效應會阻礙了其作為神經突觸器件的進一步應用。因此如何從器件結構和物理機制方面根本性的解決該問題，對構建出下一代低功耗、可計算的新型人工神經突觸器件具有重要意義。

【成果簡介】

有鑒于此，河北大學電子信息工程學院閆小兵教授課題組以“MXene Ti₃C₂?memristor for neuromorphic behavior and decimal arithmetic operation applications”為題在國際著名學術期刊Nano Energy?(DOI：0.1016/j.nanoen.2020.105453，影響因子：16.602)上發表研究成果。該工作從器件結構方面入手，采用納米尺度的銀顆粒摻雜用于改善MXene Ti₃C₂憶阻器的電學性能，不僅消除了傳統MXene材料用于憶阻器功能層所產生的電流突變效應，在電流開關過程中獲得了適用于神經突觸器件的雙向連續電流變化。而且該方法還使得改良后的MXene Ti₃C₂憶阻器產生一個脈沖尖峰的功耗降低至0.35 pj(圖1)。MXene?Ti₃C₂納米片中存在一定的缺陷位點。通過有限元模擬和微觀形貌的探索認為MXene?Ti₃C₂納米片受到脈沖電壓刺激后，器件內部的缺陷位點的電流密度遠高于非缺陷位點，從而具備吸引內部金屬離子的能力。這種微觀現象在宏觀上使得金屬導電絲在穩定范圍內發生聚集和斷裂，這為器件產生優越的可控性與重復性提供了保障。最后，本工作在保證器件具有可靠的多級存儲特性后，使用器件電流的百分比變化(PCC)應用于十進制算盤的加法和乘法功能。實現了MXene Ti₃C₂憶阻器在十進制計算（加法和乘法交換律）中的應用（圖3）。

【圖文導讀】

圖1. MXene: Ag憶阻器的電學性能

圖2. MXene: Ag憶阻器的物理機制

圖3. MXene: Ag憶阻器的十進制計算功能

【小結】

綜上所述，該工作揭示了二維MXene Ti₃C₂納米片在人工神經突觸器件中的巨大的潛力，也對如何通過結構優化用于提升人工突觸器件性能提供了有效的策略。這將極大地促進二維材料憶阻器在神經形態芯片領域的多樣化發展和實用性，為構建出可計算的類腦芯片提供了新的途徑。

【文章鏈接】

Kaiyang Wang, Jingsheng Chen, Xiaobing Yan*. MXene Ti₃C₂?memristor for neuromorphic behavior and decimal arithmetic operation applications. Nano Energy. 2021. 79. 105453. DOI：0.1016/j.nanoen.2020.105453

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105453

本文通訊作者是河北大學閆小兵教授。該工作得到了國家高層次人才特殊支持經費、國家自然科學基金、河北省自然科學杰出青年基金等項目的支持。

本文由作者投稿。