Advanced Materials: 激光直写构建晶界可调的高效能单层MoS2平面突触器件

基于二维过渡金属硫属化合物的神经突触器件具有应用于未来神经形态计算的巨大潜力。二维横向突触器件由于能够响应多种外界刺激而具有多功能的优势。但它们的能耗远高于人脑,限制了它们的实用化。此外,当前的二维横向突触器件的忆阻效应大多基于导电细丝和晶界机制,但是导电细丝和晶界的形成往往是随机且难以控制的,导致器件高低阻态的阻值和启动电压都比较随机,因此不利于性能一致的大规模器件的集成。为了使二维横向突触器件达到实用化水平,实现可控的晶界形状、精确的高低阻态转换以及达到人脑水平的低功耗是其中的关键。

最近,清华大学材料学院刘锴课题组针对现有的二维人工突触器件中导电通道随机形成难以控制的关键问题,利用激光直写技术所产生的瞬态局域光热效应,对单层MoS2的特定区域进行处理,使其在瞬态达到高温并发生部分氧化从而形成MoS2/MoS2-xOδ图案化结构。其晶界(MoS2/MoS2-xOδ边界)的位置和形状均可被人为控制,从而实现了晶界(导电通道)可控的MoS2/MoS2-xOδ四端横向突触器件,为实际应用中横向突触器件的集成提供了有效的策略。所得到的人工神经突触器件能模拟神经突触的短时程和长时程可塑性,也可以对电刺激和光刺激做出响应,实现对生物学中认知过程和图像识别处理过程的模拟。特别地,该器件的功耗仅有传统CMOS器件工作能耗的1/40,与人类大脑接近,远低于其他二维横向突触器件。该论文第一作者为清华大学材料学院博士毕业生王学雯。

图1. MoS2/MoS2-xOδ异质结的制备与表征。

研究团队利用激光直写产生的局域光热效应,在环境条件下制备了晶界形状可控的MoS2/MoS2-xOδ阵列(图1a-c)。俄歇电子能谱和原子级分辨的扫描透射电子显微镜图像表明激光处理区域(MoS2-xOδ)产生了硫缺陷,并伴随了部分氧吸附(图1c-f)。

图2. MoS2/MoS2-xOδ异质结器件的I-V曲线。

当MoS2/MoS2-xOδ晶界形状固定时,其忆阻特性一致,而具有不同晶界形状的器件具有不同的忆阻特性。只有MoS2/MoS2-xOδ晶界平行于电极的平行晶界器件具有稳定且明显的渐变式忆阻特性(图2a-c)。晶界垂直于电极的垂直晶界器件和晶界与电极交叉的交叉晶界器件都没有稳定的忆阻性能(图2d-g)。

图3. 光/电刺激下MoS2/MoS2-xOδ器件的突触性能。

平行晶界器件不仅对电刺激响应,同时还对光刺激响应(图3a)。在40V的栅压调控范围内,器件电流变化了三个数量级,说明该器件可以被栅极有效调控(图3b)。另外,该器件还能很好地模拟突触SRDP和STDP两个重要的可塑性(图3c)。同时,该器件对光剂量有明显响应,具有光电记忆行为(图3d-e)。值得一提的是,该器件的能耗远低于其他横向突触器件,也比传统CMOS器件低40多倍,与人脑功耗相近(图3f)。

图4. MoS2/MoS2-xOδ突触器件的机理研究。

图4a表明,该器件忆阻行为与电极面积无关,排除了传统的导电细丝机制。另外根据I-V关系,该器件的忆阻行为属于整体效应(图4b)。EFM表征表明,该器件的忆阻特性是由结区界面(MoS2/MoS2-xOδ边界)和漏极肖特基势垒(MoS2-xOδ/Ti)的动态调节引起的(图4c-f)。

图5. MoS2/MoS2-xOδ突触器件的记忆行为与图像感知。

图5a-b显示该器件由于具有长期易失特性,可以很好地模拟心理学上的学习遗忘规则。另外,图5c-d显示由于器件对光剂量有响应,因此可以输出对光剂量敏感的电阻状态,从而实现复杂的图像处理功能,为神经形态视觉系统的仿真提供了可能。

论文信息:

Grain-Boundary Engineering of Monolayer MoS2 for Energy-Efficient Lateral Synaptic Devices

Xuewen Wang, Bolun Wang, Qinghua Zhang, Yufei Sun, Enze Wang, Hao Luo,  Yonghuang Wu, Lin Gu, Huanglong Li, Kai Liu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202102435

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102435