化院劉鋼研究員及合作者在聚合物半導(dǎo)體材料與憶阻器領(lǐng)域取得新進(jìn)展
隨著移動智能終端、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新信息技術(shù)的普及，人們對于從多渠道、多視角獲得的海量信息的存儲需求不斷增加，發(fā)展超高密度、超大容量的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。然而，在微電子器件尺寸不斷縮小的進(jìn)程中，當(dāng)前主流的硅基浮柵存儲技術(shù)在存取速度、可靠性和集成工藝等方面將面臨一系列理論極限和技術(shù)上的瓶頸，難以通過平面微縮的方法來持續(xù)滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對提高存儲密度的要求（圖1）。另一方面，由于當(dāng)前半導(dǎo)體制程技術(shù)的限制，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常采用分級存儲以及存儲器-處理器分立存在的方式來實(shí)現(xiàn)計(jì)算性能與計(jì)算成本之間的優(yōu)化平衡。但在不同層級的存儲器間傳輸數(shù)據(jù)往往會產(chǎn)生明顯的延遲和顯著的能耗；在面對海量數(shù)據(jù)分析、大型圖像處理以及其他人工智能領(lǐng)域等的應(yīng)用時(shí)，由于信息總量大并且在存儲器中的地址難以預(yù)測，計(jì)算機(jī)需要消耗大量的處理周期來獲取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其運(yùn)算能力也受到極大的限制。因此，亟需開發(fā)新型電子材料與新原理信息技術(shù)，來解決微電子器件面臨的摩爾定律極限以及馮•諾依曼瓶頸等問題。
圖1.（左）硅基半導(dǎo)體尺寸縮小趨勢以及（右）多級存儲結(jié)構(gòu)示意圖。
憶阻器（Memristor）是一種具有電阻的結(jié)構(gòu)（電極/介質(zhì)/電極）和量綱（歐姆）的新型納米電子器件（圖2）。當(dāng)在憶阻器兩端施加的電壓超過一定數(shù)值時(shí)，器件電阻可以發(fā)生兩態(tài)、多態(tài)甚至連續(xù)的可逆變化，從而實(shí)現(xiàn)單值甚至多值的信息存儲。更為重要的是，利用憶阻器執(zhí)行可重構(gòu)的非易失性算數(shù)與邏輯操作，在單一器件中原位實(shí)現(xiàn)信息存儲與運(yùn)算的融合，更有望突破長久以來限制計(jì)算機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度的馮•諾依曼瓶頸，這對于簡化計(jì)算機(jī)架構(gòu)并提高其運(yùn)算性能具有重要的意義。而與傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比，有機(jī)聚合物具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和延展性，并且可以通過印刷和噴墨打印等溶液加工方式實(shí)現(xiàn)低成本集成，在面向邊緣計(jì)算的柔性芯片中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。尤其是有機(jī)聚合物的電學(xué)性能還可以通過豐富的化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與合成得到有效調(diào)控，從而在分子層面上實(shí)現(xiàn)微電子器件的按需定制。
圖2.（左）憶阻器結(jié)構(gòu)、工作原理以及（右）電阻轉(zhuǎn)變示意圖。
最近，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉鋼研究員與華東理工大學(xué)陳彧教授、中國科學(xué)院寧波材料所李潤偉研究員以及山西師范大學(xué)許小紅教授合作，結(jié)合Suzuki偶聯(lián)聚合和“Click”點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)合成了一種具有二茂鐵和三苯胺氧化還原雙活性測鏈基團(tuán)的新型聚芴衍生物PFTPA-Fc材料，并利用其固態(tài)三重氧化還原憶阻行為制備了柔性憶阻器原型器件（圖3）。電學(xué)性能測試表明該器件在低電壓下分別呈現(xiàn)8態(tài)/3值存儲特性和連續(xù)的模擬憶阻行為，并可在高電壓下實(shí)現(xiàn)兩種特性的自由切換；而原位熒光光譜與二維成像測試則證實(shí)PFTPA-Fc在高、低電壓下的憶阻行為分別來自三苯胺和二茂鐵基團(tuán)的可逆固態(tài)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)。利用該器件的模擬憶阻行為不僅能夠執(zhí)行十進(jìn)制四則算術(shù)運(yùn)算，還可以完成基本的二元布爾邏輯操作，從而在單一聚合物憶阻器中實(shí)現(xiàn)多值信息存儲與處理功能的集成，為發(fā)展高性能、低功耗的存算一體器件與芯片提供了新的材料體系和理論基礎(chǔ)。
圖3.（a）PFTPA-Fc的結(jié)構(gòu)式、（e）Electrostatic Potential分布、（c）不同阻態(tài)下的熒光圖譜、
（d）十進(jìn)制除法與（e）邏輯運(yùn)算功能。
研究成果近期以《Redox Gated Polymer Memristive Processing-Memory Unit》為題發(fā)表于Nature Communications （NCOMMS-18-25620C）。相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料專項(xiàng)（2017YFB0405604）、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（61722407）、面上項(xiàng)目（6164153）和中國科學(xué)院納米與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（18CS01）的經(jīng)費(fèi)支持。
撰稿:劉鋼
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