南京邮电大学黄维院士、仪明东教授《Adv. Mater.》：具有超宽工作温度的有机聚合物忆阻器

2023-05-07 来源：高分子科技

神经形态计算采用模拟、数字、数模混合超大规模集成电路以及软件系统搭建神经系统模型，模仿人类神经系统的传感和信息处理方式，为开发高效能人工智能系统提供重要技术支持。神经形态器件能够模拟神经元和神经突触功能，是神经形态计算系统的核心硬件之一。目前，以忆阻器为代表的神经形态器件已在常温下实现在超低功耗的并行计算和多种类型的人工神经网络中的应用，然而其在极端温度环境下的工作性能和可靠性仍面临挑战，这极大限制了人工智能系统在工业制造、能源勘探、航空航天等领域的应用。

针对这一问题，近日，南京邮电大学材料科学与工程学院/有机电子与信息显示国家重点实验室黄维院士、仪明东教授和李雯副教授带领的团队提出了一种具有超宽工作温度的有机聚合物人工突触器件。该器件以可低温溶液加工的聚[[2-[(3,7-二甲基辛基)氧基]-5-甲氧基-1,4-苯]-1,2-乙烯二基]（MDMO-PPV）为忆阻功能层材料，表现出连续可调电导，因而能够模拟生物突触基本功能，包括兴奋性突触后电流（EPSC）、双脉冲易化（PPF）、双脉冲抑制（PPD）、强直性后增强（PTP）、兴奋/抑制、脉冲时序依赖可塑性（STDP）、短期增强（STP）到长期增强（LTP）以及“学习-遗忘-再学习”过程等。不仅如此，未封装的器件能够在77 K至573 K的超宽温度下工作，解决了当前有机人工突触器件无法在极端温度下正常工作的难题。另外，中国台湾中研院侯政宏博士利用X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）深度分析，直观且详细的揭示了器件的工作机理，验证了离子迁移控制记忆响应的动力学过程。该研究结果为未来研究人工智能设备在极端环境下的适应性提供了可靠的参考，为下一代信息技术的广泛应用开拓了道路。

图1 具有超宽工作温度的有机聚合物人工突触器件结构与器件内部离子迁移工作机制示意图

神经元是中枢神经系统中负责信息处理功能的基本工作单位，它们之间通过称为突触的连接进行连接和交流。突触由一个突触前神经元、一个突触间隙和一个突触后神经元组成。在突触中，信号以神经递质的释放形式从突触前神经元传递到突触后神经元。在双端人工突触器件中，电极可分别被视为突触前神经元和突触后神经元。器件的电导被认为是突触的权重，可以通过施加不同的电脉冲信号来调整。这一过程被称为突触可塑性，它在大脑学习和记忆能力中起着关键作用。作者所制备的有机聚合物人工突触器件成功模拟生物突触基本功能，如图2所示。

图2 有机聚合物人工突触的基本突触功能模拟示意图

接下来，为了揭示器件开关行为的原因，首先利用XPS深度剖面技术探究器件电导率随外加电压变化的内在机理，直观分析各层材料的变化。未施加电压的初始状态器件发现Al电极的顶部和底部界面均能检测到明显的Al³⁺和O^2-信号，这表明由于空气和MDMO-PPV有机物诱导氧化导致了AlO_x的富集。施加+8 V电压后，可实现忆阻器的低电阻状态。从LRS忆阻器获得的元素剖面图可知，在Al电极/MDMO-PPV界面附近，Al³⁺的分布略有加深，整个MDMO-PPV层的O^2-浓度明显升高。与Al³⁺（高价离子）的迁移相比，O^2-离子更容易迁移。此外，发现[In]+离子向相反方向迁移，即从ITO电极迁移到Al电极。氧和铟的迁移都可以增加MDMO-PPV层中的离子组分浓度，从而形成LRS忆阻器。如果施加-8 V的反向电压，MDMO-PPV层中产生的电场将逆转离子迁移，同时，观察到MDMO-PPV薄膜的电导率在-8 V电压条件下会显著下降，导致忆阻器形成高阻状态（HRS）。

除了XPS深度分析，还获得了3D ToF-SIMS图像，可以全面了解组件分布研究了初始状态、LRS和HRS忆阻器的三维分量分布，结果如图所示。从图中可以看出，初始状态器件在顶部Al电极的两侧都可以发现氧化。从LRS器件获取的3D图像显示了电场驱动下AlO_x组分的清晰加深。AlO_x分布的加深表明界面附近有更多的Al被氧化，这可以作为氧离子库，维持后续氧离子向MDMO-PPV膜的迁移。更重要的是，这种迁移被发现是可逆的。聚合物活性层中离子组分浓度的降低导致了HRS器件的高电阻。值得强调的是，从HRS器件获得的3D图像与初始状态器件的3D图像高度相似，这表明在反向电压下，迁移的组分可以返回到其初始分布。利用XPS和ToF-SIMS深度分析技术，作者明确地验证了可逆离子迁移是开关行为的根本原因，这有助于突触可塑性的强大可控性。

图3 有机聚合物人工突触的离子迁移工作机制示意图

进一步，作者对该器件在不同温度下的鲁棒性进行了详细的探究。发现其具有超宽工作温度范围（173 K-473 K，在线测试，77 K-573 K，离线测试）。且未封装的器件在液氮环境（77 K）中存储72小时后仍保持可靠的记忆开关行为。目前国内外对于有机聚合物忆阻器的温度研究多集中在高温部分，对于低温部分研究较少。与之前报告的有机和无机忆阻器相比，该研究制备的有机聚合物忆阻器在当前有机电子领域中是工作温度范围最广泛的器件。

图4 有机聚合物人工突触的超宽工作温度示意图

相关研究结果以“Polymeric memristor based artificial synapses with ultra-wide operating temperature”为题，发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上。仪明东教授、李雯副教授、侯政宏博士和黄维院士为共同通讯作者，李佳钰博士以及钱扬周博士为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金、江苏省有机电子与信息显示协同创新中心、江苏省优势学科及智能纳米材料与器件教育部重点实验室开放基金的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209728

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（责任编辑：xu）

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