北京大学王路达团队Nano Lett. | 基于零维纳米限域孔结构的纳流体忆阻器研究

英文原题：Nanofluidic Memristive Transition and Synaptic Emulation in Atomically Thin Pores

通讯作者：王路达（北京大学）

作者：Ruiyang Song, Peng Wang, Haiou Zeng, Shengping Zhang, Ningran Wu, Yuancheng Liu, Pan Zhang, Guodong Xue, Junhe Tong, Bohai Li, Hongfei Ye, Kaihui Liu, Wei Wang, Luda Wang*

在大数据、人工智能等新型计算架构发展的趋势下，基于生物突触原理的仿生神经形态器件因其并行处理和超低能耗的优势，已成为模拟类脑信息处理并突破传统冯•诺依曼架构瓶颈的重要研究方向。当前研究主要聚焦于以电子/空穴为载流子的固态材料忆阻器，但生物神经系统采用流体中的离子进行信息传递。为模拟生物本质特性，纳流体忆阻器凭借水相离子传输的特性展现出独特的生物兼容性与表面可调性优势，在神经形态计算及神经网络信息处理方面具有显著潜力。然而，现有微米级通道结构导致了离子传输效率受限、能耗较高及规模化制备困难等关键问题，严重制约了该领域的技术发展与应用拓展。

近日，北京大学集成电路学院王路达研究员团队利用二维材料的原子级厚度优势与优异物化特性，通过微米纳米加工技术全国重点实验室平台，精确加工了一系列基于石墨烯和MoS₂的零维纳米限域孔结构，创新发展了一种新型仿生纳流体忆阻器件（如图1）。基于统计结果，发现了零维纳米限域孔的离子电导和电学特性的构效关系，在约0.5到200 nS的范围内展现出忆阻器的滞回特性曲线。

图1. 基于零维纳米限域孔结构的仿生纳流体忆阻器设计及实现。(A) 神经系统离子信息传递过程示意图。(B-C) 实验装置测试示意图及MoS₂单纳米孔的AC-STEM图像。(D- E) MoS₂纳米孔器件电学特性曲线随电导的演化。(F) 31个器件的离子电导和电学特性的统计结果。

本研究基于不同价态载流子的静电作用实现了对纳流体忆阻器件滞回曲线和电导开关比的调控（图2），为高阶可调控的神经形态计算奠定基础。对于单价和二价离子，纳流体忆阻器展现出自交叉的非易失性和双极性特征。增加离子价态到三价，观察到负差分电阻现象的同时纳流体忆阻器切换为非自交叉的易失性和单极性特征，且电导开关比提升约4倍。

图2. 由离子化合价调控的纳流体忆阻器特性切换。(A) 特性切换示意图。(B-C) 石墨烯和MoS₂纳米孔器件在氯化钾溶液中的电学特性曲线。(D-E) 石墨烯和MoS₂纳米孔器件在氯化镧溶液中的电学特性曲线。

本研究进一步分析了零维纳米限域孔器件的等效电路，研究了施加电压频率相关的电学特性转变和忆阻效应的频率极限，在毫秒量级脉冲宽度下实现了每脉冲约0.546 pJ的能耗，优于当前报道的最先进的纳流体忆阻器件。

图3. 零维纳米限域孔的等效电路和频率依赖特性。(A) 类比于生物纳米孔的等效电路。(B-D) 离子电流对不同脉冲宽度电压的响应。(E) 单脉冲能量消耗与脉冲宽度的关系。

零维纳米限域孔结构在埃米长的结构、丰富的离子响应、低工作电压和毫秒级工作脉冲宽度等方面与生物纳米孔相似。不仅有助于解决纳流体神经形态应用在器件层面的瓶颈问题，而且助力于深入理解大脑神经活动的机理，为实现类脑人工智能提供新思路。相关成果发表在期刊Nano Letters 上。北京大学集成电路学院博士研究生宋瑞洋、王鹏为共同第一作者，王路达研究员为通讯作者。

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Nanofluidic Memristive Transition and Synaptic Emulation in Atomically Thin Pores

Ruiyang Song, Peng Wang, Haiou Zeng, Shengping Zhang, Ningran Wu, Yuancheng Liu, Pan Zhang, Guodong Xue, Junhe Tong, Bohai Li, Hongfei Ye, Kaihui Liu, Wei Wang, Luda Wang*

Nano Lett. 2025, 25, 14, 5646–5655

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06297 

Published March 29, 2025

Copyright © 2025 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）