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武漢大學(xué)&武漢理工大學(xué)合作，Nature Electronics！

米測MeLab 納米人 2024-10-28

研究背景

憶阻器是一種具有記憶功能的電子元件，因其具有潛力應(yīng)用于類腦計算、人工智能等領(lǐng)域，近年來受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的數(shù)字計算架構(gòu)相比，類腦計算在處理數(shù)據(jù)密集型任務(wù)時，能夠顯著提升計算效率和速度。憶阻器在實現(xiàn)類腦硬件中具有重要作用，特別是在實現(xiàn)內(nèi)存計算和模擬計算方面。模擬憶阻器由于能夠?qū)崿F(xiàn)多個電導(dǎo)態(tài)，對于高效類腦計算具有重要應(yīng)用價值。然而，現(xiàn)有的模擬憶阻器通常面臨著較小的開關(guān)比問題，限制了其在精確權(quán)重映射和模擬計算中的應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的憶阻器材料相比，基于二維范德瓦爾斯金屬材料的憶阻器在多個方面具有明顯的優(yōu)勢。這些材料如石墨烯和鉑二硫化物，不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，還具備良好的機械柔性和可調(diào)電導(dǎo)特性，因此成為了一種理想的陰極材料。然而，盡管二維范德瓦爾斯材料能夠顯著提升憶阻器的性能，現(xiàn)有的技術(shù)仍面臨著如何實現(xiàn)大開關(guān)比和低功耗的挑戰(zhàn)。這是因為傳統(tǒng)的方法主要依賴于調(diào)節(jié)電阻開關(guān)層或陽極來控制離子運動，但這往往會降低開關(guān)比并導(dǎo)致較高的功耗。

近日，武漢大學(xué)李葉生, 何軍教授以及武漢理工大學(xué)熊遙等人在這一領(lǐng)域取得了新進展。他們通過引入離子插層/去插層策略，在二維范德瓦爾斯金屬材料（如石墨烯或鉑二硫化物）作為陰極的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種低功耗且具有大開關(guān)比的模擬憶阻器。具體而言，研究團隊采用了銀（A g）作為上端陽極，磷硫化銦（IPS）作為開關(guān)介質(zhì)，結(jié)合二維范德瓦爾斯金屬材料的插層特性，創(chuàng)造了一個高擴散屏障，從而有效調(diào)節(jié)了銀離子的遷移速度。這種新的設(shè)計方法在保持較大開關(guān)比的同時，顯著降低了功耗。以上成果在“Nature Electronics”期刊上發(fā)表了題為“Memristors with analogue switching and high on/off ratios using a van der Waals metallic cathode”的最新論文。

通過該策略，憶阻器的開關(guān)比提高到了108，電導(dǎo)態(tài)超過了8位，功耗降至56阿托焦耳。基于該模擬憶阻器的特性，研究人員還進行了一次卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的芯片級仿真，結(jié)果顯示該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識別任務(wù)中表現(xiàn)出了高準確率。這項研究不僅突破了模擬憶阻器在高開關(guān)比和低功耗之間的矛盾，還為未來類腦計算硬件的應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑。

科學(xué)亮點

1. 本實驗首次通過引入二維范德瓦爾斯金屬材料（石墨烯或鉑二硫化物）作為陰極，結(jié)合銀作為陽極和磷硫化銦（IPS）作為開關(guān)介質(zhì)，創(chuàng)建了具有大開關(guān)比的模擬憶阻器。該設(shè)計利用銀離子的插層/去插層過程，成功實現(xiàn)了模擬電阻開關(guān)行為。

2. 實驗通過范德瓦爾斯陰極的離子插層/去插層策略，本研究在模擬憶阻器中引入了一個高擴散屏障，顯著限制了銀離子的遷移，從而調(diào)節(jié)了開關(guān)過程。這種調(diào)節(jié)機制使憶阻器能夠?qū)崿F(xiàn)線性且高度模擬的電阻開關(guān)行為，克服了傳統(tǒng)模擬憶阻器開關(guān)比較小的局限。

3. 實驗獲得的結(jié)果：

開關(guān)比高達10⁸，顯示出超過8位的電導(dǎo)狀態(tài)，極大地提升了憶阻器的權(quán)重映射能力。
功耗降低至56阿托焦耳，極大地提高了能效。
具有較好的線性和對稱性特性，克服了常見的非線性問題。
基于該憶阻器特性，進行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的芯片級仿真，獲得了高準確率的圖像識別結(jié)果，展示了該器件在類腦計算中的潛力。

圖文解讀

圖1: 利用范德瓦爾斯van der Waals，vdW 金屬石墨烯graphene，GR作為正極，具有較大開/關(guān)比的模擬開關(guān)。

圖2: 在銀Ag/硫化銦磷indium phosphorus sulfide，IPS/石墨烯GR憶阻器中的多級開關(guān)。

圖3:利用多層范德瓦爾斯vdW PtTe2作為正極，硫化銦磷IPS憶阻器的模擬開關(guān)性能。

圖4: 模擬開關(guān)機制。

圖5: 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)convolutional neural network，CNN芯片級實現(xiàn)。

結(jié)論展望

作者已經(jīng)證明，使用二維范德瓦爾斯金屬材料作為陰極的ECM憶阻器可以實現(xiàn)模擬開關(guān)和大開關(guān)比。銀離子在范德瓦爾斯金屬電極中的插層/去插層過程創(chuàng)造了一個高擴散屏障，作為慢速動力學(xué)因子（SKF），限制了離子的運動，從而實現(xiàn)了開關(guān)比高達10⁸、超過8位電導(dǎo)態(tài)、線性增強/抑制和超低功耗的模擬開關(guān)行為。然后，作者利用這種模擬開關(guān)行為進行了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的芯片級仿真，用于從CIFAR-10數(shù)據(jù)集中進行圖像識別，達到了91%的準確率。作者的策略可以擴展到其他開關(guān)材料和范德瓦爾斯陰極，并可能為創(chuàng)建高性能模擬憶阻器提供一種通用方法。

原文詳情：

Li, Y., Xiong, Y., Zhang, X. et al. Memristors with analogue switching and high on/off ratios using a van der Waals metallic cathode. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01269-y

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