上海交大刘钢研究员及合作者在聚合物半导体材料与忆阻器领域取得新进展
随着移动智能终端、物联网、云计算等新信息技术的普及，人们对于从多渠道、多视角获得的海量信息的存储需求不断增加，发展超高密度、超大容量的数据存储技术已经成为信息产业发展的关键。然而，在微电子器件尺寸不断缩小的进程中，当前主流的硅基浮栅存储技术在存取速度、可靠性和集成工艺等方面将面临一系列理论极限和技术上的瓶颈，难以通过平面微缩的方法来持续满足大数据时代对提高存储密度的要求（图1）。
另一方面，由于当前半导体制程技术的限制，现代计算机系统通常采用分级存储以及存储器-处理器分立存在的方式来实现计算性能与计算成本之间的优化平衡。但在不同层级的存储器间传输数据往往会产生明显的延迟和显著的能耗；在面对海量数据分析、大型图像处理以及其他人工智能领域等的应用时，由于信息总量大并且在存储器中的地址难以预测，计算机需要消耗大量的处理周期来获取数据，导致其运算能力也受到极大的限制。因此，亟需开发新型电子材料与新原理信息技术，来解决微电子器件面临的摩尔定律极限以及冯•诺依曼瓶颈等问题。
图1.（左）硅基半导体尺寸缩小趋势以及（右）多级存储结构示意图
忆阻器（Memristor）是一种具有电阻的结构（电极/介质/电极）和量纲（欧姆）的新型纳米电子器件（图2）。当在忆阻器两端施加的电压超过一定数值时，器件电阻可以发生两态、多态甚至连续的可逆变化，从而实现单值甚至多值的信息存储。更为重要的是，利用忆阻器执行可重构的非易失性算数与逻辑操作，在单一器件中原位实现信息存储与运算的融合，更有望突破长久以来限制计算机实际运行速度的冯•诺依曼瓶颈，这对于简化计算机架构并提高其运算性能具有重要的意义。而与传统的无机半导体材料相比，有机聚合物具有优异的机械柔韧性和延展性，并且可以通过印刷和喷墨打印等溶液加工方式实现低成本集成，在面向边缘计算的柔性芯片中具有得天独厚的优势。尤其是有机聚合物的电学性能还可以通过丰富的化学结构设计与合成得到有效调控，从而在分子层面上实现微电子器件的按需定制。
图2.（左）忆阻器结构、工作原理以及（右）电阻转变示意图
最近，上海交通大学化学化工学院刘钢研究员与华东理工大学陈彧教授、中国科学院宁波材料所李润伟研究员以及山西师范大学许小红教授合作，结合Suzuki偶联聚合和“Click”点击化学反应设计合成了一种具有二茂铁和三苯胺氧化还原双活性测链基团的新型聚芴衍生物PFTPA-Fc材料，并利用其固态三重氧化还原忆阻行为制备了柔性忆阻器原型器件（图3）。电学性能测试表明该器件在低电压下分别呈现8态/3值存储特性和连续的模拟忆阻行为，并可在高电压下实现两种特性的自由切换；而原位荧光光谱与二维成像测试则证实PFTPA-Fc在高、低电压下的忆阻行为分别来自三苯胺和二茂铁基团的可逆固态电化学氧化还原反应。利用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，为发展高性能、低功耗的存算一体器件与芯片提供了新的材料体系和理论基础。
图3.（a）PFTPA-Fc的结构式、（e）Electrostatic Potential分布、（c）不同阻态下的荧光图谱、（d）十进制除法与（e）逻辑运算功能
研究成果近期以《Redox Gated Polymer Memristive Processing-Memory Unit》为题发表于Nature Communications （NCOMMS-18-25620C）。相关工作得到了国家重点研发计划战略性先进电子材料专项（2017YFB0405604）、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（61722407）、面上项目（6164153）和中国科学院纳米与应用重点实验室开放课题（18CS01）的经费支持。
来源：上海交通大学
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