【创新前沿】Nature Communications报道我校高分子忆阻功能材料与器件研究新进展

稿件来源:化学学院   |作者:化学学院   |摄影:化学学院   |编辑:潘聪聪   |浏览量:626

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创新设计和制备兼具记忆和逻辑运算功能的新型忆阻功能材料,开发具有优异的保持力、耐用性和器件间性能一致性的忆阻器(memristor),已成为后摩尔时代人工智能芯片领域突破基于传统冯·诺依曼架构的算力瓶颈和摩尔定律限制的重要创新方向,也是一项极具挑战性的课题。虽然这类器件具有结构简单、速度快、功耗低、高存储容量和存内数据处理能力及与CMOS工艺兼容等优点,但是大多数阻变介质的结构不均匀性通常会导致随机和高度局部的电阻开关特性,从而降低了实际应用中纳米级忆阻器的良率和可靠性。

化学与分子工程学院的陈彧教授团队长期从事有机高分子光电信息功能材料研究工作(www.chenyu.polymer.cn)。近年来,作为研究方向之一,课题组在国家自然科学基金重点基金和国际合作基金等基金的有力支持下,开展了新型非易失性高分子阻变存储和忆阻功能材料的设计、合成和器件性能研究工作。“新型非易失性高分子阻变存储材料”项目荣获2018年教育部自然科学奖二等奖。近日,陈彧团队与上海交通大学刘钢研究员、合肥工业大学张章教授合作,利用二维有机共轭策略提高高分子的共平面性、结晶度和阻变稳定性,通过微纳加工技术制备了良率高达90%的低功耗纳米神经形态器件。这种器件具有与金属氧化物忆阻器可比拟的应用潜力,为发展小型化、高密度与低功耗存算计算技术提供了新的材料体系和优势器件基础。相关研究成果以“90% Yield Production of Polymer Nano-Memristor for In-Memory Computing”为题发表在Nature Communications 2021,12:1984上。‍

图片说明:二维共轭高分子的分子结构、堆叠顺序和纳米器件性能

研究人员以制备的二维共轭高分子PBDTT-BQTPA为活性层,在国际上首次制备了线宽为100纳米的高分子忆阻器件,在百纳米到百微米的尺度范围内呈现了均匀的忆阻调变,器件响应时间小于32 ns、功耗仅为10 fJ/bit、循环耐受性大于108,D2D性能参数波动介于3.16%~8.29%,器件良率高达90%以上。研究人员利用这种具有高稳定性和快速响应特点的有机高分子忆阻器件构建了二进制神经网络并用于手写阿拉别数字的识别。结果表明,使用1万张图片训练1个周期后的识别率可以达到99.23%,在模式识别任务上展现了令人满意的性能。

在上述研究成果中,华东理工大学是该论文的第一通讯单位,陈彧团队的张斌副教授、上海交通大学刘钢团队的陈威林博士和合肥工业大学张章团队的曾剑敏博士是该论文的共同第一作者,陈彧教授、刘钢研究员和张章教授是该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、上海市科委、复旦大学专用集成电路国家重点实验室和华为的经费支持。

此次报道的是陈彧教授团队在Nature Communications上发表的第2篇关于高分子忆阻器的研究成果。先前的工作主要涉及基于侧链含三苯胺和二茂铁基团两个氧化还原体系的聚芴功能材料的柔性忆阻器器件的构建(Nature Communications 2019,10,736)。该器件的模拟忆阻行为不仅能够执行十进制四则算术运算,还可以完成基本的二元布尔逻辑操作,从而在单一聚合物忆阻器中实现多值信息存储与处理功能的集成。多态编码方式可以在单个器件中存储更多的信息,从而提高有效面积上的存储密度。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-22243-8.pdf

发布时间:2021-04-08
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