Nano Res.[器件]│苏州科技大学李阳课题组：“无”中生“有”——有机离子盐夹心层助力氧化石墨烯忆阻器实现人工突触

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与传统的冯·诺依曼计算机相比，人类的大脑包含约10¹¹个神经元和10¹⁵个神经突触，是理想的信息处理器。人脑是一个高度并行的节能高效信息处理系统，可以有效地处理更复杂的情况或深度计算。因此，模拟人脑的信息处理模式至关重要。近年来，忆阻器作为一种新兴的第四类基本电路元件，已被证明是突触模拟器和神经形态计算的有力竞争者。而以石墨烯为代表的二维材料由于其优异的物理和电子特性、原子级厚度、可堆叠特性、良好的机械强度和柔韧性而受到广泛关注，并且被应用到忆阻器的研究当中。

最近，苏州科技大学李阳副教授、张程博士和香港城市大学张其春教授合作，提出了一种以有机吡啶盐分子（Py-salt）作为夹心层的叠层结构氧化石墨烯（GO）忆阻器。传统单组份GO忆阻器通常是离子迁移型忆阻器，一般采用活性金属（如银和铜）作为电极。尽管在器件运行过程中活性金属离子的迁移可以模拟钙离子在神经元中的扩散，但活性金属离子经常表现出高随机性、扩散性和低热力学稳定性，从而形成导电细丝的不可控形成和过度生长，大幅抑制器件的稳定性和可靠性。针对上述问题，该研究提出利用有机离子盐作为缓冲夹心层以达到促进导电通道有序化的新思路，主要着眼于以下三点：（1）GO表面具有大量带负电荷的含氧官能团（羧基、环氧/羟基）等，易于修饰从而调控其电子特性；（2）Py-salt具有良好的共轭性并携有正电荷，可与GO表面的负电荷基团产生静电相互作用以增强作用力；（3）均匀的Py-salt薄膜可以有效地作为缓冲夹心层，抑制金属离子的随机迁移和金属细丝的过度生长。Py-salt夹层作为缓冲层，在器件运行过程中可控制细丝的有序形成，从而逐步调制器件的电导，实现稳定的双向调制，为模拟生物突触的行为提供了条件。

电学脉冲训练表明，该叠层结构GO忆阻器能够实现重要的突触模拟功能，如非线性信号传输、短时程可塑性（STP）、长时程可塑性（LTP）、成对脉冲易化（PPF）、前脉冲抑制（PPI）、兴奋性突触后电流（EPSC）、脉冲时间依赖可塑性（STDP）、脉冲速率依赖可塑性（SRDP）和“学习-遗忘-再学习”过程。这项研究实现了GO忆阻器的双向调谐和快速响应，并成功模拟生物突触的行为，为构筑高性能人工突触和进一步实现神经形态计算系统提供了思路。

图1 忆阻器脉冲训练原理示意图；GO/Py-salt/ GO叠层结构示意图；柔性忆阻器在连续电压扫描下表现出稳定的迟滞回线和渐进非线性传输行为；人脑神经元和突触示意图。

通讯作者简介

李阳：现为苏州科技大学物理学院副教授。主要研究方向为有机及有机-无机杂化忆阻材料的制备与类脑器件应用。目前担任江苏省材料学会副秘书长、国际科学组织Vebleo Fellow与研讨委员会委员、国产期刊Exploration、Brain-X、Tungsten、中国结构化学青年编委、J.Materi. Sci. Technol. Res.期刊编委、Polymers客座编辑、学术桥评审专家、江苏省高新技术企业评审专家、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会高级会员等。入选苏州市科协青年科技人才托举工程。以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater., InfoMat, Nano Energy, Nano Res.等期刊发表SCI论文近40篇。荣获Wiley期刊高被引作者和亚洲化学Early Career Researcher称号。主持国家自然科学基金等省部级项目4项。

张程：现为苏州科技大学物理学院讲师。主要研究方向为有机半导体、二维功能材料设计与合成，以及在忆阻器和人工突触领域的应用。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。江苏省双创人才。目前以第一作者/通讯作者身份在Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Small, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际知名期刊上发表SCI论文30余篇，入选Wiley期刊高被引作者和Wiley中国开放科学年度作者。

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。2018-2022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SCI论文460余篇，被引超31000次，H-index: 104。

文章信息

Li Y, Ling S, He R, et al. A Robust Graphene Oxide Memristor Enabled by Organic Pyridinium Intercalation for Artificial Biosynapse Application. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5789-5.