深圳先研院《AFM》：磷酸化使纳米石墨烯能够用于可调人工突触

成果简介

具有可控电阻开关特性的灵活稳健的忆阻器对于神经形态计算非常重要。然而，基于纳米材料的溶液加工电阻开关层由于形态不均匀和表面特性不稳定，通常可靠性和可调性较差。本文，中国科学院深圳先进技术研究院 黄惠 研究员、王佳宏 副研究员等在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Phosphorylation Enables Nano-Graphene for Tunable Artificial Synapses”的论文，研究合成了磷酸化石墨烯纳米片（phos-GPs），用于高性能溶液加工柔性忆阻器。

原位导电原子力显微镜显示，紧密堆叠的均匀纳米片和修饰的磷酸基团共同降低了导电丝的形成障碍。此外，磷酸化还导致表面银离子配位，从而增强了导电丝的径向生长。在 Ag/phos-GPs/ITO 结构中，忆阻器显示出挥发性特征，而在 Ag/Ag-(phos-GPs)/ITO 结构中，忆阻器则表现出非挥发性特征。这两种类型的忆阻器在长期循环和重复机械弯曲过程中都显示出一致的I–V曲线，此外还具有出色的突触可塑性。此外，从非挥发性长期突触电位和抑制中还观察到了超小非线性。利用可调人工突触，可以模拟记忆遗忘和重新识别的过程，并通过人工神经网络完成图像识别任务。

图文导读

图1、a) 人脑突触可塑性示意图，挥发性人工突触的遗忘/再识别功能，以及基于非挥发性人工突触的人工神经网络的构建；b) 鳞甲结构示意图，该结构启发了基于 phos-GPs 的薄膜和记忆晶体管的设计。

图2、a） phos-GPs 纳米片和忆阻器合成的示意图;b） 磷酸化 GP 的 XPS P 2p 谱图;c） XRD 图谱和 d） 石墨和磷 GP 的拉曼散射光谱;e） phos-GPs 纳米片和 f） phos-GPs 薄膜的 AFM 图像;g） 基于 phos-GPs 的忆阻器的横截面 SEM 图像。

图3、a) Structure of the phos-GPs-based volatile memristor (Ag/Phos-GPs/ITO); b) I–V curves of the phos-GPs memristor at a compliance current of 1 mA after 200 cycles; c) distribution of HRS and LRS at the 0.2 V reading voltage for 200 cycles; d) distribution of HRS and LRS of ten devices; e) PPF behavior; f) PPD behavior; g) Learning experience behavior of the pure phos-GPs-based memristor; h) learning “H” and “T” by the array containing 81 devices.

图4、a) 非易失性 Ag/Ag-(phos-GPs)/ITO 记忆晶闸管的结构示意图；b) Ag/Ag-(phos-GPs)/ITO 记忆晶闸管在 200 个周期内的 I-V 曲线；c) 10 个器件的 HRS 和 LRS 分布；d,e) 在一个周期（d）和五个周期（e）的重复电位增强和抑制脉冲下的可重现电导调制；f）LTD 和 LTP 非线性与先前结果的比较；g）ResNet 的混合 ANN 架构以及 CIFAR-10 图像数据集和 MNIST 手写数字数据集的两项识别任务；h）CIFAR-10 数据集的识别准确率；i）MNIST 数据集的识别准确率；j）100 个训练历时后 MNIST 识别的混淆矩阵图。

图5、a) 原位 c-AFM 评估示意图；b) 1.5 V 时导电通道的直径分布；c) 1.5 V 时导电通道的电流强度分布；d,e) d) 挥发性 phos-GPs RS 层和 e) 非挥发性 Ag-(phos-GPs) RS 层的原位 c-AFM 图；f,g) 显示挥发性和非挥发性忆阻器 RS 机制的示意图。

小结

我们设计了一种结合球磨和氧化的技术来合成磷化石墨烯纳米片（phos-GPs）。小而均匀的磷化石墨烯很容易组装成类似鳞甲的致密薄膜，适用于制造忆阻器中的柔性 RS 层。通过调节 phos-GPs 中的银和磷酸官能团之间的配位，导电通道的形成和动力学发生了变化。因此，Ag/phos-GPs/ITO Memristor 具有挥发性特征，而 Ag/Ag-(phos-GPs)/ITO Memristor 则不具有挥发性。经过100次 I-V循环和1000次弯曲循环后，这两种忆阻器都表现出一致的稳定性和灵活性。易失性忆阻器表现出各种突触特性，如PPF、PPD、STDP和学习经验。至于非挥发性忆阻器，其 LTP 和 LTD 行为的非线性分别为 0.381 和 0.353，优于之前的大多数结果。Ag/Ag-(phos-GPs)/ITO忆阻器出色的传导性调制能力使其成为构建高精度自动导航网的理想候选材料，在识别MNIST手写数字和CIFAR-10图像数据集的任务中表现出很高的准确性。这种调节导电通道的策略可以扩展到促进功能基团与金属离子之间更广泛的相互作用，从而为开发神经形态器件开辟了一条新途径。

文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202416794