忆阻器:钙钛矿材料的新应用

Advanced Electronic Materials huangjinsong仿神经计算是一种将信息处理与存储同时进行的计算,能够突破冯诺依曼计算体系结构中由于数据处理器(CPU)与存储器(memory)之间有限的传输速度带来的局限。人工仿突触(synapse)电子器件是新兴的热门研究领域,目的在于模拟生物突触的信号存储与处理的功能,并被认为是制造人工神经网络和仿神经计算机的基础。突触的可塑性(synaptic plasticity)是大脑的信号处理,记忆与学习的基础。忆阻器具有和生物突触相似的信号传输特征,并被认为可以用来制造人工仿神经计算机。

有机金属三卤化合物钙钛矿材料材料最近几年被发现是一种新型的廉价的半导体材料。这种钙钛矿材料具有强烈的光吸收,极低的缺陷密度以及超长的载流子扩散长度等优异的光电性质。其所制备的太阳能电池转换效率已经超过22%。除此之外,钙钛矿材料还被发现在发光二极管(LED),激光,光探测器方面有潜在应用。

美国内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松教授研究组 最近发现这种可以低温溶液法制备的新型钙钛矿材料可以用来制备性能很好的忆阻器。该组研究发现,钙钛矿材料是一种优良的离子导体,离子的移动能够使这种半导体材料从p 型掺杂到n 型掺杂转换。其所制备的忆阻器在外加电压下能够从p-i-n结构到n-i-p结构转换, 从而实现器件电阻的逐渐变化。 这种由钙钛矿材料制备的忆阻器能够模拟神经系统的信号处理,学习与记忆功能。许多在生物突触里发现的功能都能够在这种钙钛矿忆阻器中实现。其中包括:四种形式的脉冲时间依赖可塑性(spike-timing-dependent plasticity),脉冲频率依赖可塑性(spike-rate-dependent plasticity),学习功能(learning-experience behavior),遗忘功能(forgetting behavior)等等 。更令人兴奋的是,由于这种特殊的电阻变化机制(离子移动导致的p-i-n到n-i-p结构的转变),钙钛矿忆阻器能够将人工仿突触器件的一次信号传输所需的能耗降低到femto-Joule/(100 nm)2 (10-15J/100 nm2),与生物突触中一次信号传输所需的超低能耗相近(10-15Joule )。由于钙钛矿材料优异的光电性能,由光信号来读取的一些生物功能也被发现。

相关结果发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201600100)上。