《Nature Communications》報道我校高分子憶阻功能材料與器件研究新進展
創(chuàng)新設(shè)計和制備兼具記憶和邏輯運算功能的新型憶阻功能材料，開發(fā)具有優(yōu)異的保持力、耐用性和器件間性能一致性的憶阻器(memristor），已成為后摩爾時代人工智能芯片領(lǐng)域突破基于傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)的算力瓶頸和摩爾定律限制的重要創(chuàng)新方向，也是一項極具挑戰(zhàn)性的課題。雖然這類器件具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、功耗低、高存儲容量和存內(nèi)數(shù)據(jù)處理能力及與CMOS工藝兼容等優(yōu)點，但是大多數(shù)阻變介質(zhì)的結(jié)構(gòu)不均勻性通常會導(dǎo)致隨機和高度局部的電阻開關(guān)特性，從而降低了實際應(yīng)用中納米級憶阻器的良率和可靠性。
我校化學(xué)與分子工程學(xué)院的陳彧教授團隊長期從事有機高分子光電信息功能材料研究工作（www.chenyu.polymer.cn）。作為課題組的研究方向之一，近年來該課題組在國家自然科學(xué)基金重點基金、國際合作基金等基金的有力支持下，開展了新型非易失性高分子阻變存儲和憶阻功能材料的設(shè)計、合成和器件性能研究工作。項目《新型非易失性高分子阻變存儲材料》榮獲2018年教育部自然科學(xué)獎二等獎。最近，陳彧團隊與上海交通大學(xué)劉鋼研究員及合肥工業(yè)大學(xué)張章教授合作，利用二維有機共軛策略提高高分子的共平面性、結(jié)晶度和阻變穩(wěn)定性，通過微納加工技術(shù)制備了良率高達90%的低功耗的納米神經(jīng)形態(tài)器件，這種器件具有與金屬氧化物憶阻器可比擬的應(yīng)用潛力，為發(fā)展小型化、高密度與低功耗存算計算技術(shù)提供了新的材料體系和優(yōu)勢器件基礎(chǔ)。
圖1 二維共軛高分子的分子結(jié)構(gòu)、堆疊順序和納米器件性能
研究人員以制備的二維共軛高分子PBDTT-BQTPA為活性層，在國際上首次制備了線寬為100納米的高分子憶阻器件，在百納米到百微米的尺度范圍內(nèi)呈現(xiàn)了均勻的憶阻調(diào)變，器件響應(yīng)時間小于32 ns、功耗僅為10 fJ/bit、循環(huán)耐受性大于108次，D2D性能參數(shù)波動介于3.16% ~8.29%，器件良率高達90%以上。利用這種具有高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)特點的有機高分子憶阻器件構(gòu)建了二進制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并用于手寫阿拉別數(shù)字的識別。結(jié)果表明，使用1萬張圖片訓(xùn)練1個周期后的識別率可以達到99.23%，在模式識別任務(wù)上展現(xiàn)了令人滿意的性能。
相關(guān)研究成果以“90% Yield Production of Polymer Nano-Memristor for In-Memory Computing”為題發(fā)表在Nature Communications 2021,12:1984上。華東理工大學(xué)是論文的第一通訊單位。陳彧團隊的張斌副教授、上海交通大學(xué)劉鋼團隊的博士生陳威林和合肥工業(yè)大學(xué)張章團隊的曾劍敏博士是該論文的共同第一作者，陳彧教授、劉鋼研究員和張章教授是該論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃、上海市科委、復(fù)旦大學(xué)專用集成電路國家重點實驗室和華為的經(jīng)費支持。
目前報道的工作是陳彧教授團隊在Nature Communications上發(fā)表的第2篇關(guān)于高分子憶阻器的工作。先前的工作主要涉及基于側(cè)鏈含三苯胺和二茂鐵基團兩個氧化還原體系的聚芴功能材料的柔性憶阻器器件的構(gòu)建(Nature Communications 2019,10,736)。該器件的模擬憶阻行為不僅能夠執(zhí)行十進制四則算術(shù)運算，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現(xiàn)多值信息存儲與處理功能的集成。多態(tài)編碼方式可以在單個器件中存儲更多的信息，從而提高有效面積上的存儲密度。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22243-8.pdf?
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