用于非易失性忆阻器和突触的 ReS2/WS2异质结构中的可控电阻开关

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

近年来，计算和通信技术突飞猛进。忆阻器可以保持外加电压和电流产生的内阻状态，因此可以在不使用任何程序的情况下进行存储计算，是人工神经网络的新兴构件。与早期基于互补金属氧化物半导体晶体管的神经形态计算相比，使用忆阻器构建突触和神经元可大大降低计算能耗。

忆阻器的初步研究主要涉及传统的三维块体材料和薄膜，要缩小尺寸以满足未来大数据和人工智能对高密度集成和低功耗的严格要求，具有挑战性。二维半导体因其超薄的厚度高度的柔韧性和引人入胜的光电特性而被认为是未来研究的焦点。柔软的 Re-S共价键更容易产生硫(S)空位，为二维忆阻器的开发提供了更大的可能性。S 空位的形成能更低，在外加偏压下的运动更明显，有利于提高忆阻器的开关性能。

然而，与传统的三维器件相比，基于单一二维材料的忆阻器的保持率和耐用性可能相对较低异质结构可以整合不同材料的特性，已成为提高忆阻器性能的另一种选择。为了利用二维材料的优异特性，同时考虑到与传统微电子技术的兼容性，人们开始关注在原子水平具有陡悄电位梯度的二维/二维异质结构。此外，现有的大多数忆阻器仅基于电调制。这并不完全符合人类的实际刺激，包括视觉、听觉、触觉、嗅觉等。除了纯电子设备，在设备运行过程中进一步引入光信号作为信息载体具有高带宽、低串扰和高连接性等优势。光学可编程性还有利于在神经形态视觉领域的应用。因此，开发兼具电和光学可控性的忆阻器至关重要。在这方面，范德华异质结构具有通过设计其能带排列来调节光吸收和激子重组的优势。

研究成果

具有非易失性存储性能和模拟突触功能的忆阻器被认为是克服传统冯-诺依曼计算机架构瓶颈的关键设备之一。二维范德瓦尔斯异质结构集成了不同材料的迷人特性，并提供了对其光电特性的额外可控性，从而为开发先进的忆阻器铺平了新的道路。厦门大学康俊勇教授团队展示了基于ReS2/WS2 范德瓦尔斯异质结构的具有电学和光学可调性的平面忆阻器。这些器件表现出独特的单极非易失性，具有高达 106 的 Roff/Ron 比理想的耐久性和保持力，优于纯 ReS2和 WS2 器件。当减小沟道长度时，设定电压可以显著降低，同时保持高 Roff/Ron 比率。此外，还成功实现了生物突触功能和可塑性，包括尖峰速率相关可塑性和成对脉冲促进。通过采用光照，还可以调制电阻开关，这取决于光照能量和功率。研究揭示了一种与光激发控制的层间电荷转移有关的机制。相关研究以“Controllable Resistive Switching in ReS2/WS2Heterostructure for Nonvolatile Memory and Synaptic Simulation”为题发表在Advanced Science期刊上。

图文导读

Figure 1. Morphological， spectroscopic， and structural characterizations.

Figure 2. Resistive switching performance of the ReS2/WS2-based planar memristor.

Figure 3. a) Gate tunable Vset of the ReS2/WS2-based planar memristor. b) I–V curves of the memristor at the gate voltages of 3， 4， and 5 V. c) Schematic diagrams of the resistive switching mechanism for the ReS2/WS2-based planar memristor.

Figure 4. Synaptic functions of the ReS2/WS2-based planar memristor.

Figure 5. Schematic diagram and band structure evolution of the ReS2/WS2 heterostructure under the optical modulations with different wavelengths.

总结与展望

总之，我们基于 ReS2/WS2 异质结构构建了具有突触可塑性的可扩展二维平面忆阻器，并证明了它们的电学和光学可调性。异质结构的拉曼、TRPL、HRTEM 和 KPFM 表征证实了具有强层间相互作用的型带状结构。制造出的忆阻器具有独特的单极电阻开关特性Roff/Ron比高达 106，明显延长了耐久性和保持时间。设定电压随着沟道长度的减小而呈下降趋势，而高 Roff/Ron比却能很好地保持。基于定义明确的设定和复位过程，该器件可以成功模拟部分生物突触功能，包括 STP、SRDP和PPF证明了其在神经网络和复杂系统中的应用潜力。由于静电掺杂或耗尽，通过施加栅极电压，还可以在 4.50 至0.40 V 的宽范围内有效地调整设定电压。此外，通过操纵异质结构内的层间电荷转移，还能进一步实现对电阻开关的光学控制，而调制则主要取决于激发波长和功率。所有这些发现为开发基于二维范德华异质结构的新型器件打开了一扇新的大门，推动了具有光学可编程性的神经功能器件的研究前沿。

文献链接

Controllable Resistive Switching in ReS2/WS2Heterostructure for Nonvolatile Memory and Synaptic Simulation

https://doi.org/10.1002/advs.202302813

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