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  與生物大腦的神經突觸類似，憶阻器（Memristor）兼具記憶和邏輯運算的功能，理論上可以通過憶阻器完全替代現(xiàn)有的數(shù)字邏輯電路。這類能與CMOS工藝兼容的器件具有結構簡單、速度快、功耗低、高存儲容量和存內數(shù)據處理能力等優(yōu)點，是實現(xiàn)高密度存儲和以數(shù)據為中心的存內計算和感知計算技術的優(yōu)勢基礎器件。然而，大多數(shù)阻變介質的結構不均勻性通常會導致隨機和高度局部的電阻開關特性，從而降低了實際應用中納米級憶阻器的良率和可靠性。因此，為了突破基于傳統(tǒng)馮·諾依曼架構的算力瓶頸和摩爾定律限制，非常有必要創(chuàng)新設計和制備新型憶阻功能材料，開發(fā)具有優(yōu)異的保持力、耐用性和器件間（D2D）性能一致性的憶阻器，這已成為后摩爾時代人工智能芯片領域的重要創(chuàng)新方向，也是一項極具挑戰(zhàn)性的課題。

  華東理工大學陳彧教授團隊與上海交通大學劉鋼研究員團隊及合肥工業(yè)大學張章教授團隊合作開展了聚合物憶阻功能材料的合成及納米神經形態(tài)器件構建研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，利用二維有機共軛策略提高高分子的共平面性、結晶度和阻變穩(wěn)定性，通過微納加工技術制備的良率高達90%的低功耗高分子憶阻器，具有與金屬氧化物憶阻器可比擬的應用潛力，為發(fā)展小型化、高密度與低功耗存算計算技術提供了新的材料體系和優(yōu)勢器件基礎。

  在設計制備的二維共軛的氧化還原活性高分子PBDTT-BQTPA中，主鏈苯并二噻吩（BDT）給體（D）和喹喔啉（BQ）受體（A）之間的基態(tài)電荷轉移作用能夠有效調節(jié)高分子的能帶結構和載流子遷移率，使之呈現(xiàn)半導體特性；同時，在喹喔啉側鏈引入三苯胺基團，利用其固態(tài)電化學反應可以誘導憶阻效應；最為重要的是，在苯并二噻吩的4、8位點引入的烷基噻吩側基可以將給體基團沿高分子共軛主鏈的分子內一維共軛拓展至與主鏈垂直的二維空間，從而有效提高D-A對之間的π-π堆積和薄膜結晶程度。聯(lián)合團隊以制備的二維共軛高分子材料為活性層，在國際上首次制備了線寬為100納米的有機高分子憶阻器件，在百納米到百微米的尺度范圍內呈現(xiàn)了均勻的憶阻調變，器件響應時間小于32 ns、功耗僅為10 fJ/bit、循環(huán)耐受性大于10⁸次，D2D性能參數(shù)波動介于3.16% ~ 8.29%，器件良率高達90%以上。研究人員利用這種具有高穩(wěn)定性和快速響應特點的有機高分子憶阻器件構建了二進制神經網絡并用于手寫阿拉別數(shù)字的識別。結果表明，使用1萬張圖片訓練1個周期后的識別率可以達到99.23%，在模式識別任務上展現(xiàn)了令人滿意的性能。

圖1 二維共軛高分子的分子結構、堆疊順序和納米器件性能

圖2 基于二維聚合物憶阻器的模擬神經形態(tài)模式識別

  相關研究成果以“90% Yield Production of Polymer Nano-Memristor for In-Memory Computing”為題發(fā)表在Nature Communications 2021,12:1984上。華東理工大學是論文的第一通訊單位。陳彧團隊的張斌副教授、上海交通大學劉鋼團隊的博士生陳威林和合肥工業(yè)大學張章團隊的曾劍敏博士是該論文的共同第一作者，陳彧教授、劉鋼研究員和張章教授是該論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、上海市科委、復旦大學專用集成電路國家重點實驗室和華為的經費支持。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22243-8.pdf

  目前報道的工作是陳彧教授團隊在Nature Communications上發(fā)表的第2篇關于憶阻器的工作。先前的工作主要涉及基于側鏈含三苯胺和二茂鐵基團兩個氧化還原體系的聚芴功能材料的柔性憶阻器器件的構建(Nature Communications 2019,10,736)。該器件的模擬憶阻行為不僅能夠執(zhí)行十進制四則算術運算，還可以完成基本的二元布爾邏輯操作，從而在單一聚合物憶阻器中實現(xiàn)多值信息存儲與處理功能的集成。多態(tài)編碼方式可以在單個器件中存儲更多的信息，從而提高有效面積上的存儲密度。

  陳彧教授團隊長期從事有機高分子光電信息功能材料研究工作（www.chenyu.polymer.cn）。作為課題組的研究方向之一，近年來該課題組在國家自然科學基金重點基金、國際合作基金、面上基金等基金的有力支持下，開展了新型非易失性高分子阻變存儲和憶阻功能材料的設計、合成和器件性能研究工作，取得了一些原創(chuàng)性實驗結果。在Chem. Soc. Rev.、Nature Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horizons、Adv. Electron. Mater.等國際著名和知名SCI期刊上發(fā)表與信息存儲相關的論文60余篇, 英文書籍章節(jié)兩篇。項目《新型非易失性高分子阻變存儲材料》榮獲2018年教育部自然科學獎二等獎(陳彧教授為第1完成人，張斌副教授為第2完成人)。

  論文下載：90% Yield Production of Polymer Nano-Memristor for In-Memory Computing