Small Science:有机-无机杂化钙钛矿在阻变存储器、人工突触和逻辑运算领域的应用研究进展

随着人工智能、5G、大数据、物联网等技术的蓬勃发展,信息数据呈现爆炸式增长的趋势,因而当前社会对海量信息的传输、处理和存储便有了更高的要求。然而,由于物理条件和制备工艺的限制,以光、磁为代表的传统信息存储技术和基于硅基半导体的信息处理技术在尺寸微缩化、超高密度信息存储等领域面临巨大的挑战。另外,冯•诺依曼瓶颈仍是不可逾越的难题,即在传统的计算机中,各自独立的数据存储器和中央处理器(CPU)不利于信息的快速传输和处理。有鉴于此,创新光电信息材料体系,研究更加高效的数据处理机制和开发新一代的逻辑运算成为有望解决上述问题的可靠途径。

最近,苏州科技大学张程博士、李阳副教授和香港城市大学张其春教授合作总结了有机-无机杂化钙钛矿(OHPs)材料在阻变式存储器(RRAM)、人工突触、逻辑运算等领域的研究进展。图1为近年来OHPs材料在信息存储技术领域简要的发展时间轴。作者详细介绍了OHPs 材料自身的结构特性以及对应的光电属性,简要归纳了OHPs薄膜和器件的制备工艺,讨论了近年来OHPs材料在结构设计、信息技术领域的应用以及多功能光电协同调控等方面的研究进展。此外,作者概括性提出器件性能优化的有效策略,阐述了当前OHPs材料所面临的机遇和挑战,为基于钙钛矿的新一代信息存储技术的应用前景提供了理论支撑和策略指导。

图1. 有机-无机杂化钙钛矿在RRAM、人工突触、逻辑运算等领域的发展时间轴。

在OHPs材料的应用方面,作者详细讨论了OHPs在RRAM器件中所表现出的独特电学行为:包括双稳态或多稳态电学行为、多功能电学特性(电容效应、湿度响应、光响应特性及柔性存储)。截止目前,基于OHPs的信息存储原型器件性能不断提升,能够实现快速信号响应速度(< 100 ns)、高密度数据存储容量(> 0.1 TB in-2)、低能耗(< 100 fJ µm-2)、低工作电压(< 1 V)以及较长的保留时间(> 105 s)。此外,OHPs存储器能够表现出优异的模拟人工突触行为(图2)。利用一定的逻辑运算,OHPs存储器还可以实现物理防克隆功能,确保对重要信息的防伪与加密。

总之,在人工智能和物联网时代,实现快速信息处理和高密度存储被认为是未来不可或缺的前沿技术之一。虽然OHPs阻变存储器件与传统半导体硅存储器件在性能方面仍有一定的差距,但基于OHPs材料所开发的人工突触模拟和神经计算网络,有望打破冯•诺依曼计算框架的瓶颈,实现“感知—存储—计算”的一体化智能集成系统和高效的类脑神经网络系统。随着对OHPs的深入探索和不断发展,相信会有越来越多满足实际应用标准的OHPs材料出现在科学研究的最前沿,为大数据和后摩尔时代的技术变革提供重要的支撑。

图2. 有机-无机杂化钙钛矿在模拟人工突触和类脑神经计算领域的应用。

作者简介:

张程:现为苏州科技大学物理科学与技术学院讲师。2019-2020年前往新加坡南洋理工大学张其春教授团队进行联合培养。主要研究方向为有机半导体、二维功能材料设计与合成,以及在阻变存储器和人工突触领域的应用。目前已在Small, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Mater. Chem. C, Chem. Commun., Org. Chem. Front., Mater. Chem. Front.等国际知名期刊上发表学术论文20篇。

李阳:现为苏州科技大学物理科学与技术学院副教授。主要研究方向为新型多功能信息存储材料和忆阻器的设计、制备及应用。目前在Adv. Funct. Mater., Small, InfoMat, ACS Appl. Mater. Interfaces, Sci. China Mater., J. Mater. Chem. C, Chem. Commun.等学术期刊上发表SCI论文40余篇,主持国家自然科学基金,江苏省自然科学基金、江苏省高校面上项目等。H-index: 14。

张其春:现为香港城市大学材料科学与工程学院终身教授。2014年受聘于新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院副教授(终身职位)。2017年当选为英国化学会会士。现担任固态化学副主编, SusMat副主编和材料化学前沿、无机化学前沿、Aggerate、Materials Advances、亚洲化学、材料化学C (JMCC)顾问委员会成员。2018-2021年连续入选科睿唯安全球高被引学者。研究兴趣包括新型碳基半导体材料的合成、自组装及其应用,目前已在Nat. Chem., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Chem. Commun.等期刊上发表论文460余篇,被引超26000次,H-index: 92。

论文信息:

Recent Progress of Organic-Inorganic Hybrid Perovskites in RRAM, Artificial Synapse, and Logic Operation

Cheng Zhang*, Yang Li*, Chunlan Ma, Qichun Zhang*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100086

链接:https://doi.org/10.1002/smsc.202100086