华东理工大学陈彧教授课题组《Nat. Commun.》：良品率高达90%的聚合物纳米神经形态器件的构建
与生物大脑的神经突触类似，忆阻器（Memristor）兼具记忆和逻辑运算的功能，理论上可以通过忆阻器完全替代现有的数字逻辑电路。这类能与CMOS工艺兼容的器件具有结构简单、速度快、功耗低、高存储容量和存内数据处理能力等优点，是实现高密度存储和以数据为中心的存内计算和感知计算技术的优势基础器件。然而，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。因此，为了突破基于传统冯·诺依曼架构的算力瓶颈和摩尔定律限制，非常有必要创新设计和制备新型忆阻功能材料，开发具有优异的保持力、耐用性和器件间（D2D）性能一致性的忆阻器，这已成为后摩尔时代人工智能芯片领域的重要创新方向，也是一项极具挑战性的课题。
华东理工大学陈彧教授团队与上海交通大学刘钢研究员团队及合肥工业大学张章教授团队合作开展了聚合物忆阻功能材料的合成及纳米神经形态器件构建研究工作。研究发现，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的良率高达90%的低功耗高分子忆阻器，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。
在设计制备的二维共轭的氧化还原活性高分子PBDTT-BQTPA中，主链苯并二噻吩（BDT）给体（D）和喹喔啉（BQ）受体（A）之间的基态电荷转移作用能够有效调节高分子的能带结构和载流子迁移率，使之呈现半导体特性；同时，在喹喔啉侧链引入三苯胺基团，利用其固态电化学反应可以诱导忆阻效应；最为重要的是，在苯并二噻吩的4、8位点引入的烷基噻吩侧基可以将给体基团沿高分子共轭主链的分子内一维共轭拓展至与主链垂直的二维空间，从而有效提高D-A对之间的π-π堆积和薄膜结晶程度。联合团队以制备的二维共轭高分子材料为活性层，在国际上首次制备了线宽为100纳米的有机高分子忆阻器件，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次，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。
图1 二维共轭高分子的分子结构、堆叠顺序和纳米器件性能
图2 基于二维聚合物忆阻器的模拟神经形态模式识别
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。华东理工大学是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博士生陈威林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。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22243-8.pdf
目前报道的工作是陈彧教授团队在Nature Communications上发表的第2篇关于忆阻器的工作。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。
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）。作为课题组的研究方向之一，近年来该课题组在国家自然科学基金重点基金、国际合作基金、面上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，取得了一些原创性实验结果。在Chem. Soc. Rev.、Nature Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horizons、Adv. Electron. Mater.等国际著名和知名SCI期刊上发表与信息存储相关的论文60余篇, 英文书籍章节两篇。项目《新型非易失性高分子阻变存储材料》荣获2018年教育部自然科学奖二等奖(陈彧教授为第1完成人，张斌副教授为第2完成人)。
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相关进展
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