数理学院黄磊课题组在记忆电容型神经形态器件研究中取得新进展

日前，我校数理学院物理系黄磊教授课题组提出一种基于MXene-TiO2异质结、以光电调制离子动态电容实现拟神经形态器件的新方法，这项研究成果以“MXene-TiO2 heterostructured iontronic neural devices based on ion-dynamic capacitance enabling optoelectronic modulation”为题，被学术期刊Applied Physics Reviews的编辑认为是该杂志最好的文章之一，并选择将其作为特色论文（Featured Article）进行发表。

今年，物理学家约翰-霍普菲尔德（John J. Hopfield）和杰弗里-辛顿（Geoffrey E. Hinton）因“人工神经网络进行机器学习的奠基性发现”而荣获2024年诺贝尔物理学奖。随着人工智能技术突破，神经形态计算在智能驾驶、大数据语言模型、人脸识别等领域的应用方兴未艾，深刻地影响和改变人们的日常生活。人工智能和大数据时代对数据存储与处理效率提出了更高要求，冯•诺依曼架构的巨大数据传输压力和GPU能耗制约人工智能海量计算需求的瓶颈。研究模拟人脑神经突触的感知-记忆-计算能力一体的拟神经形态器件以及发展神经形态计算是突破上述瓶颈的主要技术路径。

目前，神经形态器件多是基于忆阻器或晶体管来实现的，这些类型器件的物理储层状态是通过电流通量获得，不可避免地会导致过多的能量损耗。电流通量因可忽略不计的记忆电容器件可直接读取电压值、更低的功耗，而备受关注。二维材料因具有优异的载流子传输能力成为构筑新型神经形态器件的主要材料之一，目前已有大量研究报道用二维材料制备的忆阻器或神经突触晶体管，但是基于离子型的二维记忆电容器件鲜有涉略。电容器件依赖电荷积累，与产生忆阻器的导电细丝是相反方向的过程。相对而言，二维材料的忆阻器件较易获得，但制作二维记忆电容器件十分困难。

该论文研究了通过原位水热氧化制备二维MXene/TiO2异质结构，并在聚酰亚胺基底上制作 Ag/MXene-TiO2/H3PO4-PVA/Ag 离子器件。在这种光电自适应离子电子结构中，依靠离子动态电容随光电调制而改变的记忆电容效应具有类似于生物突触的可塑性特征。其主要机理可能是金属氧化物半导体在受光辐照后产生电子——空穴对，其产生的电子会迁移至二维的MXene，从而促进或抑制电场下质子的输运。换而言之，在纳米尺度下，原子级薄层中的电子输运调制薄层间的质子输运，即在二维体系中实现电子和离子的耦合。结合二维层状材料及其异质结构具有卓越的电子和光学可调性、光与物质的强相互作用以及微小电压驱动等特性，项目组制作的记忆电容型离子器件，能够实现仿生的光电人工突触，在神经形态计算适用性的评估中，达到手写数字识别准确率（93.5%）。这项研究为未来离子型光电神经形态器件的开发提供了新方法。

离子动态记忆电容器件机制示意图

(a) 紫外线照射MXene-TiO₂电极 (b) 紫外线照射下MXene-TiO₂电极能带图以及在欧姆接触界面处相应的光激发电子

(c) 在紫外线照射下光激发电子捕获质子以及去除紫外线照射后由于氢键导致质子滞后输运

(d) 在紫外线照射下神经元中类似记忆电容机制的信息传递

(a)人类视觉系统的模拟图 (b)双层和多层感知神经网络示意图

(c)和(d)分别是基于所研制的记忆电容器件8×8像素和28×28像素手写数字图像识别准确率随训练轮次的变化情况

课题组一直以来专注于二维层状材料异质结构界面与离子输运性能之间的关系研究。创新性地提出：从二维材料原子级薄层表面容易被其它功能基团修饰着手，设置离子捕获陷阱并与输运通道中的离子形成氢键、离子偶极矩和范德华力等弱相互作用，使离子与二维层间通道表面间存在电荷转移，诱发局域化的耦合效应，导致离子的迟滞输运。这种弱相互作用下的离子迟滞输运为构筑记忆电容型人工突触器件打开了新空间。例如:利用丝素蛋白对石墨烯的插层，如同在层间输运通道界面上设置了一个质子捕获陷阱，使得丝素蛋白能捕获质子并与之形成偶极子，从而增加对质子的迁移限制,导致质子的迟滞输运，同时观测到所产生的记忆电容效应[Adv. Funct. Mater. 2020，2003635]。这一结论同样在二维MXene材料体系中得到验证：质子在嵌入MXene的层间过程中，与MXene表面的羟基（OH）之间形成弱氢键，这一弱氢键使得质子在脱出过程中发生迟滞，从而产生记忆电容效应[Appl. Surf. Sci. 2023，639，158229]。这些研究结果说明：在二维层状材料层间的离子输运通道中，通过研究局域化的弱相互作用可以挖掘更深层次的离子输运动态信息，从而为设计离子型神经形态突触器件提供更好的切入点。

上海师范大学为本论文第一作者及唯一通讯作者单位，数理学院物理系常全鸿博士和2020级硕士研究生陈伟为共同第一作者、黄磊教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和上海市自然科学基金的资助。

论文链接网址：https://doi.org/10.1063/5.0232001

（供稿、图片：数理学院）