【材料】新型碳基二维材料C3N质子转导：具有可调突触行为的忆阻器- 大数跨境

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2019-02-22

导读：深圳大学电子科学与技术学院的韩素婷副教授、高等研究院周晔研究员联合课题组与中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧研究员课题组合作，利用新型碳基二维材料C3N构建了可调突触行为的忆阻器。

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基于冯•诺依曼架构的传统数字计算机，其数据处理与存储分离结构限制了其工作效率同时带来巨大功耗，无法满足大数据时代下计算复杂性的需求。同时，上述缺陷也阻碍了深度学习神经网络的进一步发展。与之形成鲜明对比的是，人脑可在极低能耗下并行执行逻辑推理、语言、视觉识别、情绪管理、记忆等复杂认知功能，具有高度容错能力。人脑的这些显著优势源于神经系统中巨量的神经元，同时每个神经元以数千个突触与其它神经元连接。通过调整相邻神经元间的连接强度可实现信息的同时处理和存储。突触被认为是学习与记忆过程的神经分子基础。因此，开发能够模拟突触功能的电子元器件是实现类脑神经形态计算中至关重要的一步。前期开发的相关器件主要利用多个晶体管与电容器相结合的互补金属氧化物半导体结构（CMOS）来实现单个突触的模拟。然而这会增加集成电路复杂性同时产生巨大的能耗。近年来，研究者开始着眼于以单个器件实现突触基本功能的模拟。其中，忆阻器以其结构简单、低功耗、在高低阻态间具有连续可调的非易失性阻态等一系列优点, 成为了人工突触模拟领域的研究热点。

神经系统中，Na⁺、K⁺和Ca²⁺等离子的动力学影响突触间隙中神经递质的释放，而忆阻器在电刺激下可以显示突触可塑性的类似调节。生命系统中电信号的传递与处理是通过离子和质子电流来调控的，因此基于质子传导的人工突触模拟具有重要意义。目前，具有大量羟基，羧基和环氧官能团的氧化石墨烯被用作质子传导膜来制备基于多栅极的人造神经元晶体管。然而，基于二维材料的两端电阻开关器件通常表现出从高电阻状态到低电阻状态的突变。质子调控的忆阻行为在基于二维材料的两端忆阻器件中较难实现，限制了进一步的人工突触模拟。

图1. 忆阻器、突触基本结构以及质子传导示意图

为了解决上述问题，深圳大学电子科学与技术学院的韩素婷副教授、高等研究院周晔研究员联合课题组与中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧研究员课题组合作，利用新型碳基二维材料C₃N构建了可调突触行为的忆阻器。该器件可以实现电阻值随着连续的电压扫描而逐渐变化的典型的忆阻行为。近常压X射线光电子能谱证实C₃N薄膜中的质子传导过程实现了器件的忆阻特性。C₃N中大量的晶格N原子使其成为高质量的质子接受材料。与此同时，在C₃N与PVPy之间的氢键网络有助于质子传导。该忆阻器能实现多种生物突触中的突触可塑性模拟，包括兴奋性突触后电流，双脉冲易化，双脉冲抑制，双脉冲易化转换为双脉冲抑制以及强直后增强等。