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深圳大学韩素婷团队开发平面型忆阻器实现类脑功能

2021-04-08 12:48

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学Physical science

近日，深圳大学韩素婷教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Matter发表了一项新研究，题为“Self-assembling crystalline peptide microrod for neuromorphic function implementation”。研究团队借助溶液法制备了一种准一维的结晶材料（苯丙氨酸二肽微米线），开发了一种平面型忆阻器（银/微米线/银）一致性提升的有效策略。

大数据时代，随着理论算法革新以及芯片算力提升，人工智能产业将迎来革命性进步。当前依靠深度学习和软件算法虽可实现胜任多种特定的智能处理任务，但冯·诺依曼架构上程序按地址顺序串行运行，该信息处理方式将制约人工智能技术的发展，面临功耗、速度、硬件消耗等挑战。相反，人脑神经元网络兼具数据存储和处理能力，从而实现能效更高、速度更快、性能更好的数据处理机制，备受关注。两端忆阻器具有亚纳秒开关速度，皮焦耳多比特可编程性以及高度可集成结构，被视为是构建高度互连、大规模并行的万亿级大型突触神经网络最具潜力的器件之一。忆阻器典型的开关过程依赖于局部缺陷浓度转变引起的介质层中导电细丝的形成或破坏。缺陷可能来自于介质层本身，如金属氧化物中的阴离子空位，或者来自于导电桥随机存取存储器（CBRAM）中活性电极材料（银，铜等）。不幸地，离子/原子迁移的随机性将不可避免的引起导电细丝的过生长，导致器件间和循环间的操作电压、开关电流比等性能参数的离散性。这也是忆阻器领域一直以来的“痛点”问题，制约着其商业化应用。

本项工作中，我们借助溶液法制备了一种准一维的结晶材料（苯丙氨酸二肽微米线），开发了一种平面型忆阻器（银/微米线/银）一致性提升的有效策略。相比二氧化硅衬底（0.77-1.24 eV），该材料具有较低的银离子迁移活化能（0.23 eV），银离子的迁移被限域在低维度的微米线表面，可有效抑制导电细丝的过生长（见图1）。

图1. 肽基微米线忆阻器一致性提升策略示意图

电学性能研究表明，通过优化器件的电极间距（2 μm），忆阻器表现为易失型的电阻转变特性，电流开关比为105，开启电压在1.6 V左右。器件具有优异的循环一致性（100次循环）和器件一致性（30个微米线忆阻器），开启电压分布在1.4-1.8 V，变异系数在9%以内，见图2。

图2. 微米线忆阻器及电阻转变性能图

由于忆阻器的平面结构，结合准一维的微米线，有利于原位机理的揭示。本项目利用对离子迁移和积累敏感的静电力显微镜，尝试动态研究导电细丝生长的过程。测试结果表明，离子的迁移被限域在微米线的表面，导电细丝的生长集中化。同时，扫描电镜/能谱测试结果证实了该导电细丝为银导电细丝，如图3。

图3. 忆阻器原位机理研究

凭借忆阻器的高一致性电阻转变特性，以及电脉冲激励下的短期记忆属性，我们利用该肽基忆阻器器件实现了高仿真的神经痛觉模拟，以及具有数字识别能力的忆阻器硬件（图4）。

图4. 具有数字识别能力的微米线忆阻器硬件应用

此外，该忆阻器的介质层（肽基微米线）在相对湿度80%下可稳定工作数周；而在加湿空气中，微米线三分钟之内即可完全水解（图5），具有良好的可降解属性。结合肽基材料良好的生物相容性，肽基材料有望拓展忆阻器在可植入领域、瞬态电子学器件领域的应用。

图5. 肽基微米线的水降解研究

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者韩素婷教授代表研究团队进行了专访，请她为大家进一步详细解读。

CellPress：请韩教授简要介绍开展这项工作的初衷。

韩素婷教授：忆阻器的性能参数离散性问题一直是本领域的痛点问题，近年来，研究人员通过优化介质层、电极等尝试提供器件的一致性。研究表明，晶体材料由于微观结构和组成成分的均一性，有利于缓解离子迁移的随机性，集中化导电细丝的生长，提供器件一致性。但前期报道的晶态介质层通常涉及条件苛刻的生长过程（如CVD等）。本项目借助肽自组装技术，利用溶液法制备了一种准一维的晶态微米线，微米线的低离子迁移活化能和低维度可有效限域导电细丝的生长，实现了高一致性忆阻器的开发。

CellPress：研究过程中是否遇到技术难题？是如何解决的？

韩素婷教授：通过滴涂法得到的肽基微米线聚集成膜，如何在微米线膜中收集，选择和转移单根微米线，是本项目遇到的一个主要技术难点。通过反复的实验，我们优化了该技术难点，具体步骤可参见文章支持信息中的Figure S3。需要指出，微米线的尺寸不宜过细或过粗，过细的微米线在转移过程中可能破损，影响器件的良品率；过粗的微米线不利于导电细丝生长的集中化。本项目中，我们选用的微米线尺寸为500-600 nm，该尺寸的微米线在转移过程中展现出优异的机械性能，器件的良品率在90%以上。

CellPress：这个工作将有希望在那些领域得到应用和发展？

韩素婷教授：本项目借助肽基纳米技术展示了一种简易、高效的忆阻器一致性提升策略，对忆阻器离散性问题的解决提供了一种高可行性思路。在本工作的基础上，进一步优化介质层材料和器件结构（如缩小电极间距），有望实现生物级操作电压器件的构筑，实现超低功耗神经形态器件的构筑。此外，肽基组装材料具有生物相容属性和可降解性，结合适宜的电极材料，有望制备高性能的瞬态忆阻器，拓展忆阻器在植入领域的应用。

CellPress：团队下一步的研究计划是什么？

韩素婷教授：本团队的方向主要是新原理信息存储器件及机制研究，目前我个人比较感兴趣的方向是利用材料结构、电荷分布、分子极化等状态改变构建新原理存储器件，研究电场、光场及混合场效应对存储性能的调控机制，并将新原理存储器件及阵列并将其应用于感存算一体系统。对于肽基忆阻器而已，通过改变氨基酸序列、自组装溶液极性或侧链化学修饰可制备具有不同形貌和不同性质（光致发光、铁电效应）的肽基组装体，开发多场可编程的肽基忆阻器，并应用于传感器内计算（in-sensor computing）等领域。

通讯作者简介

韩素婷

教授

韩素婷，深圳大学教授，广东省杰青、广东省珠江人才青年拔尖人才、深圳大学荔园优青、美国Michigan大学电气工程与计算机科学系访问教授。长期从事微电子领域新型信息器件（忆阻器和晶体管存储器）研制和类脑计算芯片应用研究工作。近年来以第一作者及通讯作者身份发表包括Science，Chemical Reviews，Materials Today, Advanced Materials（10篇）, ACS Nano, Advanced Functional Materials（9篇）, Nano Letter等在内的在SCI论文90余篇， SCI引用4000余次，h-index 34。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、广东省自然科学基金杰出青年项目等。长期担任Science，Nature Electronics, Nature Communications, Advanced Materials, ACS Nano, Nano Letters, Advanced Functional Materials等四十余个国际知名期刊的审稿人。