材料学院团队在二维神经形态器件研究领域取得新进展
清华新闻网3月27日电 二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）横向忆阻器是神经形态计算的理想电学元件，有望在提升算力的同时降低运算能耗，满足日益增长的数据运算需求。然而，目前二维TMDCs横向忆阻器的阻变能力较差，阻变比不高，在很大程度上影响了神经形态计算的准确度和可靠性。究其原因，现有的阻变机制难以实现对二维TMDCs材料的可逆、深度掺杂。
基于上述关键问题，受生物“气体-受体”信号通路的启发，清华大学材料学院刘锴副教授团队与谷林教授团队合作，提出了一种气体（H2O）-受体（缺陷）协同作用机制，使MoS2横向忆阻器阻变比提升了超过10000倍。其中，气体是指环境中以H2O为代表的气态掺杂分子，受体是指通过激光直写局域热氧化法在二维TMDCs材料中人为引入的缺陷。研究人员通过理论计算和实验证明，缺陷的引入会显著促进水分子对MoS2的掺杂效果，呈现出气体-受体协同增强的掺杂效果。基于该机制的二维横向忆阻器的阻变机理为：施加正或负的源漏电压，可逆地控制气体掺杂剂在二维沟道表面的吸附/脱附行为，进而控制气体掺杂剂对二维沟道的掺杂效果以实现电阻态的调控。该气体-受体协同作用机制广泛适用于MoS2、WS2、ReS2和SnS2等多种二维TMDCs材料以及H2O和O2等多种气体氛围。
适用于二维TMDCs神经形态器件的气体-受体协同作用机制
基于气体-受体协同作用机制，研究人员实现了高性能、多功能人工突触和人工痛觉感受器应用。人工突触成功模拟了同突触可塑性和异突触可塑性功能：在同突触可塑性功能中，人工突触不仅实现了学习、记忆依赖的STDP行为，同时其LTP和LTD性能具有超大的动态范围（>200）、超多的电阻态数目（28）、良好的线性度和超低的编程功率Pprog（<100pW）和读取功率Pread（<1pW）。
在异突触可塑性功能中，实现了通过控制环境湿度和Vg脉冲对突触可塑性的调制。人工痛觉感受器模拟了生物痛觉感受器的特征行为，包括阈值、无适应现象、痛觉过敏和痛觉超敏等，并且具有对不同强度刺激的差异化响应能力。这一研究为高性能、多功能且结构简单的二维神经形态器件提供了一种解决方案，并且加深了人们对缺陷在二维材料阻变现象中作用的理解。
相关研究成果以“生物启发的气体-受体协同作用实现高性能二维神经形态器件”（Bioinspired gas-receptor synergistic interaction for high-performance two-dimensional neuromorphic devices）为题，于3月17日在线发表于《物质》（Matter）。
清华大学材料学院2020级博士生赵铂琛为论文第一作者，材料学院副教授刘锴为论文通讯作者。其他重要合作者包括清华大学材料学院教授谷林和博士后王祎驰等。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和清华大学水木学者等的资助。
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