人腦可以結合語言、視覺、聽覺和計算等多種複雜的認知功能於一身，這主要歸功於其中1011數量的神經元和1015數量的神經突觸所構成的集合統一結構。憶阻器在傳輸原理及結構方面與神經突觸具有天然的相似性，因此被認為是模擬人工神經突觸最有潛力的電子器件之一。作為二維材料家族的新興成員，MXene Ti3C2在本課題組的工作(Small 2019, 15, 1900107)中已被提出具有作為傳統金屬氧化物憶阻器功能層可替代材料的潛力，且表現出了超快的脈衝調控速度。然而開關過程中的電流突變效應會阻礙了其作為神經突觸器件的進一步應用。因此如何從器件結構和物理機制方面根本性的解決該問題，對構建出下一代低功耗、可計算的新型人工神經突觸器件具有重要意義。
有鑑於此，河北大學電子信息工程學院閆小兵教授課題組以“MXene Ti3C2memristor for neuromorphic behavior and decimal arithmetic operation applications”為題在國際著名學術期刊Nano Energy(DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105453，影響因子：16.602)上發表研究成果。
該工作從器件結構方面入手，採用納米尺度的銀顆粒摻雜用於改善MXene-Ti3C2憶阻器的電學性能，不僅消除了傳統MXene材料用於憶阻器功能層所產生的電流突變效應，在電流開關過程中獲得了適用於神經突觸器件的雙向連續電流變化。而且該方法還使得改良後的MXene Ti3C2憶阻器產生一個脈衝尖峰的功耗降低至0.35 pj(圖1)。
圖1. MXene: Ag憶阻器的電學性能
MXene Ti3C2納米片中存在一定的缺陷位點。通過有限元模擬和微觀形貌的探索認為MXene Ti3C2納米片受到脈衝電壓刺激後，器件內部的缺陷位點的電流密度遠高於非缺陷位點，從而具備吸引內部金屬離子的能力。這種微觀現象在宏觀上使得金屬導電絲在穩定範圍內發生聚集和斷裂，這為器件產生優越的可控性與重複性提供了保障(圖2)。
圖2. MXene: Ag憶阻器的物理機制
一般來說，十進制計算具有更高邏輯計算能力且對於研究超越二進制系統的新概念計算是非常可取的。本工作在保證器件具有可靠的多級存儲特性後，使用器件電流的百分比變化(PCC)應用於十進制算盤的加法和乘法功能。實現了MXene Ti3C2憶阻器在十進制計算（加法和乘法交換律）中的應用（圖3）。
圖3. MXene: Ag憶阻器的十進制計算功能
本文通訊作者是河北大學閆小兵教授。該工作得到了國家高層次人才特殊支持經費、國家自然科學基金、河北省自然科學傑出青年基金等項目的支持。
來源：高分子科學前沿
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