兰大AFM: 超高频电容式离子二极管在存算一体方面的潜在应用

一、 【导读】  

人工智能与数据密集型技术的飞速发展，正面临数据规模激增与结构复杂化的双重挑战，对存储容量与处理效率提出了更高要求。因此，从分子、器件到架构层面模拟神经网络，已成为实现深度类脑计算的可行路径。作为离子电子学核心的离子二极管。目前虽已有多种类型，但性能普遍不足；电容式离子二极管虽具高潜力，却仍处发展初期，面临整流比低、频率响应有限、循环稳定性差等问题，且其信息存储特性长期被忽视，严重制约了其在存算一体与类脑计算中的应用，亟需实现性能突破。

二、【成果掠影】

兰州大学电子材料与器件课题组提出超高频电容式离子二极管在存算一体方面的应用，相关成果以Bioinspired High-Rate Supercapacitor Diode for Kilohertz Computing-In-Memory Application为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials上，论文的第一作者为兰州大学在读硕士生杨晓博，兰州大学马鸿云青年研究员、栗军帅教授为通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202524006

 三、【核心创新点】

研究团队设计并构建了一种基于水合六方相三氧化钨（h-WO₃）的电容式离子二极管（CAPode）。水合h-WO₃具备六方相仿生质子通道结构，通道中嵌有水分子链，赋予其优异的质子选择性与快速传输动力学特性。基于上述优势，所构建的CAPode实现了高达242的整流比与1745 Hz的响应频率，并在20000次充放电循环测试后仍保持出色的循环稳定性。在这些性能的协同作用下，该水合h-WO₃基CAPode能够在千赫兹甚至更高频率下高效执行基础逻辑运算。更值得关注的是，该器件还展现出卓越的擦写能力与良好的长期记忆效应，充分证明了其在存算一体（CIM）架构及类脑计算等前沿领域中的广阔应用前景。

 四、【数据概览】

图1  基于CAPode的新型存算一体架构

图2  水合h-WO₃的电化学性能

图3  水合h-WO₃机理表征

图4  水合h-WO₃中质子传输理论计算

图5  水合h-WO₃基 CAPode 的电化学性能

图6  水合h-WO₃基CAPode在存算一体中的应用

五、【成果启示】

研究团队成功开发了一种基于水合六方相三氧化钨（h-WO₃）的电容式离子二极管（CAPode）。该器件在整流性能与响应频率方面实现显著提升，可在千赫兹频率下执行离子/电子耦合逻辑运算，并支持存算一体（CIM）架构的实现。此外，该CAPode还展现出优异的写入/擦除能力与长期记忆特性，充分证明其在存算一体与类脑计算中的应用潜力。通过原位表征与理论计算，进一步揭示了其高效离子筛分与快速质子传输的机理，为下一代CAPode的设计提供了理论依据。此工作不仅夯实了CAPode的研究价值，也为基于离子电子学的类脑计算发展推进了关键一步。

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本文由杨晓博供稿