Nat. Mater. 納米電子設備有望在室溫下實現可控操作

【導讀】

內存計算通過將邏輯操作和數據存儲放在一起，為滿足大型數據驅動應用程序不斷增長的需求提供了機會。內存邏輯設備是內存和神經形態計算的基本單元。它們的內存邏輯操作已在電阻開關隨機存取存儲器、相變存儲器、磁阻隨機存取存儲器和鐵電隨機存取存儲器等非易失性存儲設備中得到證明。為了進一步小型化電子設備并優化其功率效率，分子級非易失性存儲設備為實現內存中邏輯計算提供可能。然而，由于單分子器件制造中的實驗挑戰和室溫下不同分子狀態的控制，單分子器件中的內存邏輯操作仍有待探索。

【成果背景】

近日，英國蘭開斯特大學物理系教授Colin J. Lambert聯合廈門大學化學院謝素原院士以及洪文晶教授為共同通訊作者在權威期刊”NATURE MATERIALS”上發表了一篇題為” Room-temperature logic-in-memory operations in single-metallofullerene devices”的文章，他們使用掃描隧道顯微鏡斷裂連接 (STM-BJ) 演示了兩端單內嵌金屬富勒烯 Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 器件的室溫非易失性存儲器行為和內存邏輯操作技術，并且用原位實驗證明這些電導開關可以用作脈沖電壓為 ±0.8 V 的非易失性存儲器，實現 14 個布爾函數的內存邏輯運算。

【核心創新點】

1.在室溫下展示了基于單電偶極子在兩端單金屬富勒烯 (Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈) 器件中翻轉的內存邏輯操作。

2.通過向單金屬富勒烯結施加±0.8?V的低電壓，記錄在不同偶極子狀態之間的數字信息可以原位可逆編碼并存儲。

3.用密度泛函理論計算表明，非易失性記憶行為來自富勒烯籠中 [Sc₂C₂] 基團的偶極重定向。

【數據概覽】

圖 1 | 單金屬富勒烯存儲器件的機理。@NATURE MATERIALS

a，當狀態 I 和 II 嵌入兩端金電極時，優化的單 Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 結配置。 P代表分子的極化永久偶極方向。 兩種狀態 I 和 II 可以通過外部電場可逆地切換。 b，沒有外部電場的雙穩態能級圖。 狀態 I 和 II 由能壘 U 隔開。振動激發來自環境中大約 k_BΔT 的熱波動，它低于能壘。 c，電場下雙穩態的能級圖。 由于相反極化的永久偶極子和電場之間的耦合，能級在相反方向上移動。 在運行過程中，存在焦耳熱（大約 k_BΔT）。

圖 2 | 單分子電導測量和單 Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 器件的原位雙電導狀態轉換和存儲操作。? @NATURE MATERIALS

a,b, 對數合并的 1D 電導直方圖 (a) 和 2D 電導位移直方圖 (b)，由 Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 在 +0.1?V 下的單分子電導測量構建。 c,d, 根據理論計算的偶極子方向和電極排列，兩種典型的Au-分子-Au結類型，以及它們相關的單GV曲線。 e,f，設備的非易失性存儲器行為。 上圖顯示了繪制的偏置電壓與時間的關系。 由于統計閾值電壓約為±0.7?V，所以選擇+0.8?V（標記為W₁）寫入'1'狀態，-0.8?V（標記為W₀）寫入'0'狀態，+0.2?V（ 標記為R）通過分子的電導讀出數字信息。 為確保數據收集，將 +0.01?V 視為零電壓（標記為 S），以在測量期間展示非易失性存儲器特性。 下圖顯示了與偏置電壓同時繪制的電導。? “讀取”的 HCS 和 LCS 分別以藍色和紅色突出顯示。 紅色和藍色尖峰代表相關狀態的電導一維直方圖。 峰值幅度在物理上沒有意義。 狀態 1 和 0 的非易失特性分別表現在 e 和 f 中。

圖 3 |? Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 單金屬富勒烯器件中的布爾邏輯運算。@NATURE MATERIALS

a，單金屬富勒烯器件的邏輯運算。 器件的源極和漏極分別標有T₁和T₂。 器件上的偏置電壓為 0.8?×?(T₁???T₂) V，其中 T₁ 和 T₂ 代表邏輯運算 T₁T₂，包括 00 (0?V)、01 (?0.8?V)、10 (+0.8?V) 和 11 (0?V)。 這里0代表低電位，1代表高電位。 LCS 對應于輸出邏輯值“1”。 b，真值表顯示了對蘊涵函數 p RIMP q 的運算序列。 c，p RIMP q 邏輯操作的實驗演示。 紅色和藍色尖峰代表相關狀態的電導一維直方圖。 峰值幅度在物理上沒有意義。 d，從實驗中獲得的 14 個基本布爾邏輯函數的材料蘊涵真值表。

圖 4：Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 的兩態憶阻機制。@NATURE MATERIALS

a，對應于狀態 I 和 II，以及中間狀態 M 的幾何形狀和能量分布。 b，當圍繞垂直于 [Sc₂C₂] 簇長軸的軸將 [Sc₂C₂] 簇從 0° 旋轉到 180° 時，完全松弛的能量景觀和 z 方向上的偶極矩。 藍色、淺藍色和粉紅色的圓圈分別標記了狀態 I、M 和 II。 c，這三種狀態在偏置電壓產生的不同電場下的能量分布。 d，狀態 I 和 II 的傳輸函數與電子能量的關系。

【結論】

在這項工作中，作者展示了室溫下兩端單金屬富勒烯器件的內存邏輯操作，通過使用脈沖偏置電壓的富勒烯籠操縱 [Sc₂C₂] 中獨立永久偶極子的運動，發現數字信息被可逆編碼和存儲。 由于[Sc₂C₂]組被封裝在籠中，相鄰器件之間的偶極間耦合預計低于能壘U，為高密度集成提供可能。單金屬富勒烯超分子籠在單分子水平上利用連續運算循環演示了14個基本的布爾邏輯函數，為未來內存和神經形態計算的發展提供了新的見解。此外，金屬富勒烯以及更普遍的具有封裝單偶極子基團的超分子籠的設計代表了朝著室溫電操作、低功耗、兩端內存邏輯器件邁出的重要一步，是單分子內存邏輯器件設計目標分子的潛在方向。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01309-y

一.團隊介紹

廈門大學信息材料與工業智能實驗室（π-lab）是由廈門大學化學化工學院、人工智能研究院、廈門大學薩本棟微納米研究院、材料學院、柔性電子研究院等多學科青年教師自發組成的跨院系學科交叉團隊，主要致力單分子尺度物理化學基礎研究，以及分子科學和人工智能交叉的信息材料、科學儀器和智能制造系統領域的應用基礎研究。實驗室網站Pilab.xmu.edu.cn, 公眾號“信息材料與工業智能實驗室XMU”。

研究團隊現有洪文晶教授、師佳副教授、楊揚副教授和劉俊揚副教授等不同學科背景的教職工，在站博士后10余人，博士生10余名，碩士生40余名，行政團隊和研發工程師40余人。實驗室負責人洪文晶教授，1985年出生，廈門大學南強重點崗位教授，博士生導師，先后獲得廈門大學本科、清華大學碩士、瑞士伯爾尼大學榮譽等級博士學位，是國家級青年人才計劃、優秀青年科學基金（優青）獲得者，現任廈門大學化學化工學院副院長、嘉庚創新實驗室主任助理、廈門時代新能源研究院聯席執行院長，并兼任教育部卓越工程師計劃和廈門大學EMBA項目導師，獲中國化學會青年化學獎、霍英東基金會青年教師獎等。團隊成立至今已有3位教師在團隊期間入選廈門大學南強B類人才，3位博士后入選博新計劃，10余位博士后和博士生獲得國內外高校正式教職，也有10余位博碩士研究生獲得華為、字節跳動、華為海思等企業職位。

實驗室長期招聘對學科交叉感興趣的博士后，化學、物理、電子、信息、化工相關專業均可，迄今實驗室累計已有10余名博士后在高校找到正式教職，方向為：

1. 面向智能計算（邏輯、類腦、量子計算和傳感）的分子器件
2. 基于人工智能和機器人系統的分子制造

歡迎郵箱聯系whong@xmu.edu.cn。

二.團隊在該領域的工作匯總

實驗室在單分子尺度物理化學研究領域已在Nat. Mater. (2篇), Nat. Chem., Sci. Adv.（2篇）, Chem（2篇）, Matter（3篇）, J. Am. Chem. Soc.（9篇）, Angew. Chem. Int. Ed.（11篇）, Nat Commun.（7篇）, Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.等國際頂級期刊發表一系列論文，申請專利10余項。

團隊還組織設計和建設了亞洲首座無噪聲超精密與表征實驗室，推動該實驗室內微納器件加工精度進入亞三納米尺度；團隊自主開發的單分子電學表征科學儀器已在包括美國諾獎得主實驗室在內的國內外十余個實驗室累計安裝超過30臺，為數十篇單分子電子學領域的研究論文提供了國產科學儀器支持。實驗室還建設了總經費數千萬元的多個校企聯合研發中心，研發中心聯合研發成果入選中國科協“科創中國”先導技術榜單。

?????? 近期代表性成果包括：

1. Li, Jing#; Hou, Songjun#; Yao, Yang-Rong#; Zhang, Chengyang#; Wu, Qingqing; Wang, Hai-Chuan; Zhang, Hewei; Liu, Xinyuan; Tang, Chun; Wei, Mengxi; Xu, Wei; Wang, Yaping; Zheng, Jueting; Pan, Zhichao; Kang, Lixing; Liu, Junyang; Shi, Jia; ?Yang, Yang; Lambert, Colin J.*; Xie, Su-Yuan*; Hong, Wenjing*, Room-temperature logic-in-memory operations in single-metallofullerene devices.Nature Materials, 2022, DOI:?10.1038/s41563-022-01309-y (單分子器件首次實現邏輯運算)
2. Feng, Anni#; Zhou, Yu#; Mohammed, A.Y. Al-Shebami; Chen, Lichuan; Pan, Zhichao; Xu, Wei; Zhao, Shiqiang; Zeng, Biaofeng; Xiao, Zongyuan; Yang, Yang*; Hong, Wenjing*, σ-σ stacked supramolecular junctions.?Nature Chemistry, 2022, In press （10.28上線）
3. Bai, Jie#; Daaoub, Abdalghani#; Sangtarash, Sara#; Li, Xiaohui#; Tang, Yongxiang; Zou, Qi; Sadeghi, Hatef; Liu, Shuai; Huang, Xiaojuan; Tan, Zhibing; Liu, Junyang; Yang, Yang; Shi, Jia; Mészáros, Gábor; Chen, Wenbo*; Lambert, Colin*; Hong, Wenjing*; Anti-resonance features of destructive quantum interference in single-molecule thiophene junctions achieved by electrochemical gating,?Nature Materials, 2019, 18, 364-369 （單分子器件中相消量子干涉效應的首次實驗觀測https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab448/info75343.htm）
4. Huang, Xiaoyan#; Tang, Chun#; Li, Jieqiong#; Chen, Li-Chuan#; Zheng, Jueting; Zhang, Pei; Le, Jiabo; Li, Ruihao; Li, Xiaohui; Liu, Junyang*; Yang, Yang; Shi, Jia; Chen, Zhaobin; Bai, Mindong; Zhang, Hao-Li; Xia, Haiping; Cheng, Jun*; Tian, Zhong-Qun; Hong, Wenjing*; Electric-field-induced selective catalysis of single-molecule reaction,Science Advances, 2019, 5, eaaw3072（單分子化學反應中定向電場效應的首次實驗報道）
5. Liu, Junyang; Huang, Xiaoyan; Wang, Fei; Hong, Wenjing*, Quantum interference effects in charge transport through single-molecule junctions: detection, manipulation and application,?Accounts of Chemical Research,2019, 52, 151-160（實驗室在相消量子效應領域的系統總結）
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