河北大学闫小兵课题组Nano Energy: “以小博大”,结构优化助力实现低功耗可十进制计算的MXene忆阻器

【引言】

人脑可以结合语言、视觉、听觉和计算等多种复杂的认知功能于一身，这主要归功于其中10¹¹数量的神经元和10¹⁵数量的神经突触所构成的集合统一结构。忆阻器在传输原理及结构方面与神经突触具有天然的相似性，因此被认为是模拟人工神经突触最有潜力的电子器件之一。作为二维材料家族的新兴成员，MXene Ti₃C₂在本课题组的工作 (Small 2019, 15, 1900107)中已被提出具有作为传统金属氧化物忆阻器功能层可替代材料的潜力，且表现出了超快的脉冲调控速度。然而开关过程中的电流突变效应会阻碍了其作为神经突触器件的进一步应用。因此如何从器件结构和物理机制方面根本性的解决该问题，对构建出下一代低功耗、可计算的新型人工神经突触器件具有重要意义。

【成果简介】

有鉴于此，河北大学电子信息工程学院闫小兵教授课题组以“MXene Ti₃C₂ memristor for neuromorphic behavior and decimal arithmetic operation applications”为题在国际著名学术期刊Nano Energy (DOI：0.1016/j.nanoen.2020.105453，影响因子：16.602)上发表研究成果。该工作从器件结构方面入手，采用纳米尺度的银颗粒掺杂用于改善MXene Ti₃C₂忆阻器的电学性能，不仅消除了传统MXene材料用于忆阻器功能层所产生的电流突变效应，在电流开关过程中获得了适用于神经突触器件的双向连续电流变化。而且该方法还使得改良后的MXene Ti₃C₂忆阻器产生一个脉冲尖峰的功耗降低至0.35 pj(图1)。MXene Ti₃C₂纳米片中存在一定的缺陷位点。通过有限元模拟和微观形貌的探索认为MXene Ti₃C₂纳米片受到脉冲电压刺激后，器件内部的缺陷位点的电流密度远高于非缺陷位点，从而具备吸引内部金属离子的能力。这种微观现象在宏观上使得金属导电丝在稳定范围内发生聚集和断裂，这为器件产生优越的可控性与重复性提供了保障。最后，本工作在保证器件具有可靠的多级存储特性后，使用器件电流的百分比变化(PCC)应用于十进制算盘的加法和乘法功能。实现了MXene Ti₃C₂忆阻器在十进制计算（加法和乘法交换律）中的应用（图3）。

【图文导读】

图1. MXene: Ag忆阻器的电学性能

图2. MXene: Ag忆阻器的物理机制

图3. MXene: Ag忆阻器的十进制计算功能

【小结】

综上所述，该工作揭示了二维MXene Ti₃C₂纳米片在人工神经突触器件中的巨大的潜力，也对如何通过结构优化用于提升人工突触器件性能提供了有效的策略。这将极大地促进二维材料忆阻器在神经形态芯片领域的多样化发展和实用性，为构建出可计算的类脑芯片提供了新的途径。

【文章链接】

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

本文通讯作者是河北大学闫小兵教授。该工作得到了国家高层次人才特殊支持经费、国家自然科学基金、河北省自然科学杰出青年基金等项目的支持。

本文由作者投稿。