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  與生物大腦的神經(jīng)突觸類似，憶阻器（Memristor）兼具記憶和邏輯運算的功能，理論上可以通過憶阻器完全替代現(xiàn)有的數(shù)字邏輯電路。這類能與CMOS工藝兼容的器件具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、功耗低、高存儲容量和存內(nèi)數(shù)據(jù)處理能力等優(yōu)點，是實現(xiàn)高密度存儲和以數(shù)據(jù)為中心的存內(nèi)計算和感知計算技術(shù)的優(yōu)勢基礎(chǔ)器件。然而，大多數(shù)阻變介質(zhì)的結(jié)構(gòu)不均勻性通常會導(dǎo)致隨機(jī)和高度局部的電阻開關(guān)特性，從而降低了實際應(yīng)用中納米級憶阻器的良率和可靠性。因此，為了突破基于傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)的算力瓶頸和摩爾定律限制，非常有必要創(chuàng)新設(shè)計和制備新型憶阻功能材料，開發(fā)具有優(yōu)異的保持力、耐用性和器件間（D2D）性能一致性的憶阻器，這已成為后摩爾時代人工智能芯片領(lǐng)域的重要創(chuàng)新方向，也是一項極具挑戰(zhàn)性的課題。

  華東理工大學(xué)陳彧教授團(tuán)隊與上海交通大學(xué)劉鋼研究員團(tuán)隊及合肥工業(yè)大學(xué)張章教授團(tuán)隊合作開展了聚合物憶阻功能材料的合成及納米神經(jīng)形態(tài)器件構(gòu)建研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，利用二維有機(jī)共軛策略提高高分子的共平面性、結(jié)晶度和阻變穩(wěn)定性，通過微納加工技術(shù)制備的良率高達(dá)90%的低功耗高分子憶阻器，具有與金屬氧化物憶阻器可比擬的應(yīng)用潛力，為發(fā)展小型化、高密度與低功耗存算計算技術(shù)提供了新的材料體系和優(yōu)勢器件基礎(chǔ)。

  在設(shè)計制備的二維共軛的氧化還原活性高分子PBDTT-BQTPA中，主鏈苯并二噻吩（BDT）給體（D）和喹喔啉（BQ）受體（A）之間的基態(tài)電荷轉(zhuǎn)移作用能夠有效調(diào)節(jié)高分子的能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率，使之呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性；同時，在喹喔啉側(cè)鏈引入三苯胺基團(tuán)，利用其固態(tài)電化學(xué)反應(yīng)可以誘導(dǎo)憶阻效應(yīng)；最為重要的是，在苯并二噻吩的4、8位點引入的烷基噻吩側(cè)基可以將給體基團(tuán)沿高分子共軛主鏈的分子內(nèi)一維共軛拓展至與主鏈垂直的二維空間，從而有效提高D-A對之間的π-π堆積和薄膜結(jié)晶程度。聯(lián)合團(tuán)隊以制備的二維共軛高分子材料為活性層，在國際上首次制備了線寬為100納米的有機(jī)高分子憶阻器件，在百納米到百微米的尺度范圍內(nèi)呈現(xiàn)了均勻的憶阻調(diào)變，器件響應(yīng)時間小于32 ns、功耗僅為10 fJ/bit、循環(huán)耐受性大于10⁸次，D2D性能參數(shù)波動介于3.16% ~ 8.29%，器件良率高達(dá)90%以上。研究人員利用這種具有高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)特點的有機(jī)高分子憶阻器件構(gòu)建了二進(jìn)制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并用于手寫阿拉別數(shù)字的識別。結(jié)果表明，使用1萬張圖片訓(xùn)練1個周期后的識別率可以達(dá)到99.23%，在模式識別任務(wù)上展現(xiàn)了令人滿意的性能。

圖1 二維共軛高分子的分子結(jié)構(gòu)、堆疊順序和納米器件性能

圖2 基于二維聚合物憶阻器的模擬神經(jīng)形態(tài)模式識別

  相關(guān)研究成果以“90% Yield Production of Polymer Nano-Memristor for In-Memory Computing”為題發(fā)表在Nature Communications 2021,12:1984上。華東理工大學(xué)是論文的第一通訊單位。陳彧團(tuán)隊的張斌副教授、上海交通大學(xué)劉鋼團(tuán)隊的博士生陳威林和合肥工業(yè)大學(xué)張章團(tuán)隊的曾劍敏博士是該論文的共同第一作者，陳彧教授、劉鋼研究員和張章教授是該論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃、上海市科委、復(fù)旦大學(xué)專用集成電路國家重點實驗室和華為的經(jīng)費支持。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22243-8.pdf

  目前報道的工作是陳彧教授團(tuán)隊在Nature Communications上發(fā)表的第2篇關(guān)于憶阻器的工作。先前的工作主要涉及基于側(cè)鏈含三苯胺和二茂鐵基團(tuán)兩個氧化還原體系的聚芴功能材料的柔性憶阻器器件的構(gòu)建(Nature Communications 2019,10,736)。該器件的模擬憶阻行為不僅能夠執(zhí)行十進(jìn)制四則算術(shù)運算，還可以完成基本的二元布爾邏輯操作，從而在單一聚合物憶阻器中實現(xiàn)多值信息存儲與處理功能的集成。多態(tài)編碼方式可以在單個器件中存儲更多的信息，從而提高有效面積上的存儲密度。

  陳彧教授團(tuán)隊長期從事有機(jī)高分子光電信息功能材料研究工作（www.chenyu.polymer.cn）。作為課題組的研究方向之一，近年來該課題組在國家自然科學(xué)基金重點基金、國際合作基金、面上基金等基金的有力支持下，開展了新型非易失性高分子阻變存儲和憶阻功能材料的設(shè)計、合成和器件性能研究工作，取得了一些原創(chuàng)性實驗結(jié)果。在Chem. Soc. Rev.、Nature Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horizons、Adv. Electron. Mater.等國際著名和知名SCI期刊上發(fā)表與信息存儲相關(guān)的論文60余篇, 英文書籍章節(jié)兩篇。項目《新型非易失性高分子阻變存儲材料》榮獲2018年教育部自然科學(xué)獎二等獎(陳彧教授為第1完成人，張斌副教授為第2完成人)。

  論文下載：90% Yield Production of Polymer Nano-Memristor for In-Memory Computing