基于二维金属-有机骨架材料的负光电导效应及人工突触的应用研究

In this project, taking advantage of two-dimensional metal-organic frameworks (2D-MOF), such as performance optimizable, high specific surface area and more available sites, high performance 2D-MOF based memristors will be fabricated and their negative photoconductivitiy (NPC) and synaptic plasticity will be studied to the meet the needs of high performance artificial synapse. The “top-down” method will be used to synthesize the 2D-MOF and the memristors with different structures and compositions will also be fabricated for the studies of NPC and synaptic plasticity. Combined with the preliminary data, the mechanism of NPC and resistive switching will be studied using the method of in situ characterization, which will provide the guidance of the performance optimization. The key factors which restrict the memristor performance will be confirmed using statistical method. And the relation model between the structures and compositions of memristors and NPC and synaptic plasticity performance will be preliminary established, which will provide theoretical foundation for the research and application of high performance artificial synapse devices. Researches about the development of high performance memristor with novel mechanism and structure and their related mechanism studies will be of great significance for breaking the “Von Neumann” bottleneck in the post-Moore era, realizing the artificial simulation of biological synapse and ensuring the rapid development of the national economy.

本项目将以高性能人工突触需求为牵引，以二维金属-有机骨架材料（2D-MOF）为研究对象，利用其性能可优化、比表面积大及可利用位点多等优点，进行基于2D-MOF横向两端忆阻器的制备、表征及负光电导和突触可塑性研究工作。采用自上而下的方法进行2D-MOF的合成，制备具有不同结构组成的忆阻器，并对其负光电导性能及突触可塑性进行全面研究；结合前期数据，通过原位表征的手段深入研究并明确器件的负光电导和电阻转换机理，并为忆阻器性能优化提供指导；利用统计学方法确定制约忆阻器性能的关键因子，初步建立基于2D-MOF忆阻器的结构组成与负光电导、突触可塑性性能关系模型，为高性能人工突触器件的研究与应用提供理论依据。基于新材料开发具有新结构和新机制的高性能忆阻器件，并对其机制进行深入研究，对于在后摩尔时代突破“冯诺依曼”瓶颈、实现生物突触的人工模拟及保证国民经济高速发展均具有重要意义。

在目前数据大爆炸的时代背景下，人们对高性能计算机的需求越来越高，传统计算机由于“冯诺依曼”瓶颈的存在已经无法实现对大量数据进行高效、低功耗地存储与处理，基于神经形态器件的类脑计算机成为未来替代传统计算机的首选，因此，亟需性能优越的神经形态器件。本项目以高性能人工突触等神经形态器件需求为牵引，以二维金属-有机骨架材料（2D-MOF）为研究对象，利用其本身比表面积比较大、可利用活性位点多等优点，进行基于2D-MOF神经形态器件的制备、表征及性能研究等工作。以中-四(4-羧基苯基)卟吩为有机配体，锌和铜为金属离子，通过液相模板法和水热法分别合成了卟啉类2D MOF纳米片，以之为活性材料，分别制备了三端晶体管和两端忆阻器型神经形态器件，并分别用于常见生物突触行为的模拟和数据存储/人工神经元，首次将MOF材料的应用扩展到了人工突触领域，且制备了具有良好循环耐受性和器件均一性的数据存储和人工神经元器件，提出了制备基于2D MOF材料的新型高性能神经形态器件的新方法和新思路；另外，我们在对器件的工作机制进行研究的基础上，对材料及器件的制备条件进行了充分的探索，对薄膜厚度、电极种类、掺杂浓度、电容电压值等参数进行了优化，为基于2D MOF材料的新型高性能神经形态器件的设计和制备提供初步的理论依据，对于在后摩尔时代突破“冯诺依曼”瓶颈、在硬件层面上构建高性能类脑计算机以及保证国民经济高速发展等均具有重要意义。