南京邮电大学：高达300℃仍能工作的记忆器件

　　编辑推荐：本文展示了一种由一氯铜酞菁形成的有机记忆性突触，在环境空气中温度高达300°C时仍然可以操作，并且能够在没有任何封装的情况下进行记忆性切换。这一结果为热弹性有机突触影响有机神经形态器件的实用性创造了先例。

　　与传统的由冯·诺依曼架构构建的计算机相比，智能计算系统可以用来模拟人脑的信号处理、学习和记忆，从而允许高效的计算方案实时处理大量数据。生物突触连接着数十亿个神经元，在人脑的学习和决策过程中起着至关重要的作用。忆阻器具有可重构的历史依赖性电阻开关行为，能够模拟生物突触的突触功能，是构建神经形态计算模拟神经网络最有前途的技术之一。特别是，有机材料提供了构建多功能、轻质和灵活的人工突触装置的潜力。然而，这种材料对热更敏感，并且诸如热诱导退化的有害影响会直接导致器件开启失败。

　　南京邮电大学仪明东教授和北京化工大学任忠杰教授等，提出了一种有机小分子单氯酞菁铜（ClCuPc），用于制造可在高达300℃的温度下完全工作的记忆器件。相关论文以题为“A Monochloro Copper Phthalocyanine Memristor with High-Temperature Resilience for Electronic Synapse Applications”发表在Advanced Materials上。

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1002/adma.202006201

　　经过研究，这种耐高温特性归因于ClCuPc的高热稳定性和空气稳定性以及有利的氯化作用，因此允许涉及O2-离子迁移的电阻切换机制在高温下发生而不会恶化。ClCuPc的低温加工特性被用于在柔性衬底上制造忆阻器。柔性器件在弯曲半径为1cm的情况下，经过100次弯曲循环后，表现出高度的记忆效应。突触行为，包括PPF/ PPD、EPSC、SRDP和PPI，类似于生物突触中的功能，通过修改输入刺激的参数被有效地模拟了出来。此外，通过模拟俄罗斯方块游戏中的“丢弃”和“消除”过程，进一步证明了有机忆阻器是可训练和可重构的。

　　ClCuPc分子和忆阻器件结构的示意图如图1a所示。有机忆阻器包括氧化铟锡（ITO）底电极铝(Al)顶部电极夹着一层80纳米厚的氯化铜薄膜。图1b显示了在正（0→5→0V）和负（0→5→0 V）电压扫描下测量的器件的循环电流-电压（I–V）特性。图1c显示了从图1b的伏安曲线中提取的5/-5伏电流值。可靠的电导控制使有机忆阻器成为突触类似物的一个有前途的候选物。

　　图1 ClCuPc器件的忆阻行为和开关机制。

　　高温稳定性是影响有机忆阻器实际应用的关键因素。研究人员在25至300℃的高温环境空气中测量了未封装的ClCuPc器件的忆阻开关性能，以检查它们的热稳定性。图2a显示了在6伏(左)和-6.5伏(右)下测得的电流与高温下循环次数的关系。通过增加循环次数，在横向获得了增强的电流水平，这证明了ClCuPc忆阻器在高温下的稳定开关能力。

　　图2 ClCuPc忆阻器的高温电学测量和ClCuPc薄膜的光谱特性。

　　利用酞菁铜强大的分子间作用力，通过在涂有氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底上蒸发酞菁铜层，并使用铝作为顶部电极来制造柔性有机忆阻器，如图3a所示。处于无应变状态的柔性器件显示了在施加的电场下的收缩磁滞回线(图3b)和在HRS和LRS之间的电阻切换(图3c)。

　　图3 柔性ClCuPc忆阻器件。

　　作为突触器件采用的忆阻器能够模拟生物突触，允许实现有利于神经形态计算的人工神经网络。在生物突触中，电脉冲触发突触前神经元向突触间隙释放神经递质分子，这些神经递质分子扩散穿过突触间隙，然后结合到突触后神经元上的受体，完成神经信号传递。突触的重量是指神经元之间连接的强度。具有类似于生物突触的结构和传输特性的双端电子器件已经通过实现可调电阻在突触功能的模拟中得到广泛证明。图4a说明了生物突触和两端忆阻装置之间的结构相似性。

　　图4 可训练的突触特征和图像信息处理。

　　总的来说，研究人员展示了在高达300℃的高环境温度下完全工作的ClCuPc有机忆阻器。ClCuPc忆阻器的展示将成为忆阻器群体形成新材料策略的候选范例，并且开创了在高温环境条件下运行的强大人工突触。（文：8 Mile）

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