二维(磁性)材料中的忆阻效应及其在类脑器件中的应用

The development of novel neuromorphic functional materials and devices have become the research hotspots in many research fields, such as materials, information, and physics. In this project, we will study and develop memristors based on two-dimensional (2D) (magnetic) materials; develop key technologies and methods for devices fabrication; design new device structure and introduce magnetic and optical means for device manipulation, further study the resistive behaviors under electrical, magnetic, and optical fields, and understand the underlying physics; optimize materials to realize memristors with stable performance, tunable functions, and low energy consumption; realize synaptic functions including potentiation and depression of synaptic weight, transition from short- to long-term plasticity, spike-rate-dependent plasticity, and spike-timing-dependent plasticity behavior in these memristors and systematically study the synaptic analogue behavior under electric, optical and magnetic fields. This proposal aims to introduce the advantages of 2D (magnetic) materials into memristors and develop new functional materials and prototype devices for the development of high-efficiency and low-power neuromorphic computing.

研究开发符合神经形态特性的新型功能材料和器件是目前材料、信息、物理等领域的研究热点。本项目拟重点研制和开发基于二维（磁性）材料的忆阻器件；发展基于二维（磁性）材料器件加工制备的关键技术与方法；设计新器件结构，引入磁、光调控手段，研究器件在电、光、磁等多场调控下的阻变行为，深入理解忆阻器件中阻变的物理机制；筛选出最佳材料，得到性能稳定、可调控、能耗低的忆阻器件；基于该器件实现神经突触权重的短程记忆效应、长程记忆效应、激发频率依赖可塑性和脉冲时序依赖可塑性等突触学习规律模拟，并研究器件在电、光、磁多场调控下的神经突触模拟行为。本项目旨在结合二维（磁性）材料的优势，为开发出高效率、低功耗人工智能类脑计算机提供新的功能材料和原型器件。

本项目按计划执行，进展顺利，共发表学术论文12篇，申请中国发明专利2项（其中1项已授权），作为部分经费协助项目负责人所在课题组培养多名博士生和硕士生，圆满完成各项任务。取得的主要研究成果包括：1）制备了的基于二维材料MoS2的忆阻器件，该器件展现了很优异的忆阻特性，包括高开关比~10^8，高速度~40 ns，抗疲劳性>10^5次，数据保持性>10^4 s，很好的温度稳定性及低功耗。通过对二维材料MoS2基忆阻器件的系统研究，揭示了其阻变机制，实现了其对神经突触的行为特性模拟。2）通过器件结构设计，不断优化器件突触性能，实现了高线性度（约0.18）、高速度（约40 ns）、低功耗（约0.18 fJ）等优异特性，为开发高能效、高速度人工神经形态网络计算系统提供了高性能的原理型器件。3）引入了电、光等多种调控手段调控其阻变行为，实现了同源/异源突触可塑性的模拟，柔性光电协同及可拉伸柔性人工突触器件，为应用于人工视觉模拟系统提供了新思路和新型器件。4）基于磁性薄膜材料开展了新型自旋电子学器件原理研究。利用ST-FMR技术，研究了磁性多层膜高频磁学特性、多层膜层间耦合、界面自旋传输、自旋轨道矩等特性，为增强重金属中SOT效率找到了一种有效的方法，并利用SOT驱动外延Pt基多层膜中垂直磁化翻转实现神经突触行为的模拟, 探索了新型自旋电子器件在神经计算中的应用。