二维晶体中的原子级图案化和电阻开关工程及其在图像处理中的应用

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

二维(2D)过渡金属掺杂物 (TMCs) 涵盖了从金属、半导体到绝缘体等多种电子类型，在超越硅的电子学领域备受关注。由于具有原子尺度的厚度，可以通过施加人工设计的缺陷、表面改性或空间周期势来轻松改变其物理和电子特性，从而为设计所需器件的功能提供了有效途径。不同于一般缺陷工程的不可控和随机分布，图案化结构设计可以更精确地大规模操纵局部原子和电子环境，从而确保材料和器件的微观均匀性。例如，通过将图案化电介质结构与石墨烯整合在一起，创造出了具有动态张力的超晶格器件。另外，具有应变诱导的周期性纳米孔的二维材料可被吸附剂选择性地功能化，以避免纳米粒子催化剂的聚集。然而，由于原子薄二维晶格的物理空间有限，纳米技术所需的精确、可扩展的原子尺度图案化还鲜有报道。超离子晶体在保持结晶秩序的同时具有类似液体的离子扩散行为，是一种子晶格位点被部分占据的固溶体。除了在热电和光伏等能源转换领域长期存在的研究兴趣外，过去几年中，由于不移动的查尔根框架和高活性金属原子 (如铜和银)，将这种材料系统用于存储器应用的热潮不断升温。特别是电阻开关器件，它可根据施加电压和通过电流的历史表现出可调的电阻状态，被证明是克服传统计算架构中冯-诺依曼瓶颈的最有前途的范例之一，并在模拟生物突触、内存计算和并行图像处理方面取得了成功。

研究成果

与块体结构相比，二维层状材料的超薄厚度可通过缺陷、表面改性和静电场更有效地控制其特性。尤其是图案设计，如摩尔超晶格图案和空间周期性介电结构，已被证明具有在大尺度上精确控制局部原子和电子环境的能力，从而为实现量身定制的材料特性和器件功能提供了额外的自由度。在这里，国家纳米科学与技术中心王振兴&武汉大学程瑞清、何军教授等人报告了利用非等价铜位点的键合差异，在超离子碲化铜中实现可扩展的原子尺度图案化。此外，得益于有序和无序亚晶格的自然耦合，利用设计的晶体结构和电接触实现了可控的压电式多级开关和双极开关，并展示了它们在图像增强中的应用。这项研究拓展了可图案化晶体和原子开关器件的已知类别，为使用忆阻器进行图像处理开辟了前沿领域。相关研究以“Engineering atomic-scale patterning and resistive switching in two-dimensional crystals and application in image processing”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Structure and characterizations of 2D cuprous telluride.

Figure 2. Engineering atomic-scale patterning in 2D cuprous telluride.

Figure 3. Engineering resistive switching of patterned structure.

Figure 4. Image enhancement with cuprous telluride memristors.

总结与展望

总之，通过利用铜原子在非等效位点的键差，作者证明了在二维超铜碲化物中可以实现可控的原子尺度图案和电阻开关，并达到了独特的几何图形与器件的相关性。这将激励人们在理论和实验方面努力探索其他可图案化晶体，从而提供超越天然晶体限制的定制电子特性和功能化的机会。作者还提出了一个紧凑的忆阻器模型，用于模仿导电丝的动态和描述器件的非线性忆阻器特性，并成功地将其应用于单幅图像的雾霾消除和视觉增强。我们的成果具有高扩展性和三维集成潜力，有望为冯-诺依曼计算以外的图像处理相关任务提供可行的维忆阻器解决方案。

文献链接

Engineering atomic-scale patterning and resistive switching in two-dimensional crystals and application in image processing

https://doi.org/10.1002/adma.202306850

转自：“i学术i科研”微信公众号

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