清華新聞網(wǎng)3月27日電 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(jì)算的理想電學(xué)元件，有望在提升算力的同時(shí)降低運(yùn)算能耗，滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)運(yùn)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(jì)算的準(zhǔn)確度和可靠性。究其原因，現(xiàn)有的阻變機(jī)制難以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維TMDCs材料的可逆、深度摻雜。
基于上述關(guān)鍵問題，受生物“氣體-受體”信號(hào)通路的啟發(fā)，清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇副教授團(tuán)隊(duì)與谷林教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種氣體（H2O）-受體（缺陷）協(xié)同作用機(jī)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，缺陷的引入會(huì)顯著促進(jìn)水分子對(duì)MoS2的摻雜效果，呈現(xiàn)出氣體-受體協(xié)同增強(qiáng)的摻雜效果。基于該機(jī)制的二維橫向憶阻器的阻變機(jī)理為：施加正或負(fù)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(jìn)而控制氣體摻雜劑對(duì)二維溝道的摻雜效果以實(shí)現(xiàn)電阻態(tài)的調(diào)控。該氣體-受體協(xié)同作用機(jī)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(jī)制
基于氣體-受體協(xié)同作用機(jī)制，研究人員實(shí)現(xiàn)了高性能、多功能人工突觸和人工痛覺感受器應(yīng)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(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)、記憶依賴的STDP行為，同時(shí)其LTP和LTD性能具有超大的動(dòng)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(shí)現(xiàn)了通過控制環(huán)境濕度和Vg脈沖對(duì)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(yīng)現(xiàn)象、痛覺過敏和痛覺超敏等，并且具有對(duì)不同強(qiáng)度刺激的差異化響應(yīng)能力。這一研究為高性能、多功能且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)缺陷在二維材料阻變現(xiàn)象中作用的理解。
相關(guān)研究成果以“生物啟發(fā)的氣體-受體協(xié)同作用實(shí)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(xué)材料學(xué)院2020級(jí)博士生趙鉑琛為論文第一作者，材料學(xué)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(xué)材料學(xué)院教授谷林和博士后王祎馳等。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)水木學(xué)者等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102044
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
