材料學院團隊在二維神經形態器件研究領域取得新進展
清華新聞網3月27日電 二維過渡金屬硫族化合物（TMDCs）橫向憶阻器是神經形態計算的理想電學元件，有望在提升算力的同時降低運算能耗，滿足日益增長的數據運算需求。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形態計算的準確度和可靠性。究其原因，現有的阻變機制難以實現對二維TMDCs材料的可逆、深度摻雜。
基于上述關鍵問題，受生物“氣體-受體”信號通路的啟發，清華大學材料學院劉鍇副教授團隊與谷林教授團隊合作，提出了一種氣體（H2O）-受體（缺陷）協同作用機制，使MoS2橫向憶阻器阻變比提升了超過10000倍。其中，氣體是指環境中以H2O為代表的氣態摻雜分子，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算和實驗證明，缺陷的引入會顯著促進水分子對MoS2的摻雜效果，呈現出氣體-受體協同增強的摻雜效果。基于該機制的二維橫向憶阻器的阻變機理為：施加正或負的源漏電壓，可逆地控制氣體摻雜劑在二維溝道表面的吸附/脫附行為，進而控制氣體摻雜劑對二維溝道的摻雜效果以實現電阻態的調控。該氣體-受體協同作用機制廣泛適用于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神經形態器件的氣體-受體協同作用機制
基于氣體-受體協同作用機制，研究人員實現了高性能、多功能人工突觸和人工痛覺感受器應用。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，人工突觸不僅實現了學習、記憶依賴的STDP行為，同時其LTP和LTD性能具有超大的動態范圍（>200）、超多的電阻態數目（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，實現了通過控制環境濕度和Vg脈沖對突觸可塑性的調制。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、無適應現象、痛覺過敏和痛覺超敏等，并且具有對不同強度刺激的差異化響應能力。這一研究為高性能、多功能且結構簡單的二維神經形態器件提供了一種解決方案，并且加深了人們對缺陷在二維材料阻變現象中作用的理解。
相關研究成果以“生物啟發的氣體-受體協同作用實現高性能二維神經形態器件”（Bioinspired gas-receptor synergistic interaction for high-performance two-dimensional neuromorphic devices）為題，于3月17日在線發表于《物質》（Matter）。
清華大學材料學院2020級博士生趙鉑琛為論文第一作者，材料學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材料學院教授谷林和博士后王祎馳等。研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和清華大學水木學者等的資助。
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