厦门大学物理系的吴雅苹教授课题组在忆阻器领域研究中取得***进展，该研究成果以“Plasma-mediated polarity modulation in 2D ReS2 memristors for bio-inspired cascaded memristive architecture with stability-plasticity synergy”为题发表在《Materials Today》上。
在人工智能领域，冯・诺依曼架构的固有局限推动了基于忆阻器的神经形态计算平台发展，二维（2D）忆阻器因低功耗、高灵活性等优势成为研究热点。然而，2D忆阻器存在随机开关行为与时空不均匀性，制约了级联器件开发，且单极、双极忆阻器的协同应用仍是未探索领域。
本研究创新性地提出等离子体介导的极性调控策略，实现了双极-单极ReS2忆阻器的仿生级联架构。通过H2等离子体处理，器件展现出优异的整体性能与阵列级可扩展性，揭示了空位浓度依赖的极性调控机制，将原子尺度空位与宏观功能关联。级联架构实现了电压可编程的4种电阻状态（2 位）操作，融合快速突触适应与持久记忆巩固功能。在人工神经网络（ANN）中应用时，该系统分类准确率达98.4%，可与32位基准系统媲美，同时将存储需求压缩16倍，为兼具生物保真度与工业可扩展性的类脑计算系统发展奠定基础。
图1 两端ReS2忆阻器阵列的性能及等离子体处理工艺。（a）SiO2/Si衬底上连续ReS2单层的光学图像。（b）在ReS2单层上制备的横向忆阻器阵列的光学图像。（c）包含重叠晶界的原始ReS2单层的扫描透射电子显微镜图像。右上角插图为对应的选区电子衍射图案，右下角插图为ReS2晶格的放大图像，图中标注了两个主要晶轴。（d）、（e）、（f）分别展示了两端ReS2器件阵列的三种电学行为情况：非忆阻行为、双极性忆阻行为、单极性忆阻行为。（g）等离子体处理工艺的示意图。
扫描透射电子显微镜表征揭示原始ReS2存在重叠晶界与晶格缺陷，这直接导致阵列中器件出现非忆阻、双极忆阻、单极忆阻三种随机电学行为，严重制约大规模集成。为此提出等离子体处理工艺，后续通过调控等离子体气体类型与参数实现忆阻极性***控制，从而改善2D忆阻器性能存在器件间、周期间重复性差的问题。
图2 等离子体气体类型与剂量对忆阻性能的调控。在3 W功率、3 s处理时间的氧等离子体作用下，忆阻器伏安特性曲线的循环耐久性测试：（a）电极制备后处理；（b）电极制备前处理。在3 W功率的氢等离子体、电极制备前处理条件下，忆阻器伏安特性曲线的循环耐久性测试：（c）处理时间6 s；（d）处理时间9 s。（e-g）分别为氧等离子体处理的单极忆阻器的电阻状态保持时间，开关比分布，开启电压分布。（h-j）分别为氢等离子体处理的单极忆阻器的电阻状态保持时间，开关比分布，开启电压分布。
在电极制备前进行氧等离子体（3 W、3 s）处理的器件虽能实现超100次循环的单极性开关行为，但存在低阻态不稳定问题。对比之下，氢等离子体（3 W）处理的器件性能表现更优：6 s处理对应双极特性（仅19次循环开关），9 s处理则实现超200次稳定单极循环操作，且电阻状态保持时间超105 s、开关比达106、开启电压低至0.5 V，多项性能指标优于氧等离子体处理或者未处理的器件，证明氢等离子体是优化忆阻性能的***选择。
表1 不同气体类型等离子体处理的忆阻器性能对比
图3 用于多态突触模拟与量化神经网络实现的级联忆阻器架构。（a）集成单极性与双极性忆阻器的级联架构示意图。（b）对应双极性脉冲编程与单极性权重调制的数字编码方案。（c）不同编程条件下的逻辑电阻状态输出（每种状态保持100秒）。（d）不同量化模型（1位、2位、32位）在训练过程中的准确率与损失值变化曲线。（e）在MNIST数据集上对比不同模型分类能力的混淆矩阵（矩阵中的数值代表样本正确分类与错误分类的***比）。（f）采用不同量化精度处理前后的图像。
借鉴大脑海马体-新皮层协作模式，我们构建了单极-双极忆阻器级联架构，前端双极器件实现突触权重动态调整（高可塑性），后端单极器件实现信息稳定存储（高稳定性），可实现4种电阻状态（2位编码）。在量化神经网络中，2位级联架构对MNIST手写数据集的识别准确率达98.4%，仅比32位基准系统低 0.1%，但存储需求压缩了16倍，成功在计算保真度与硬件效率间实现平衡，为类脑计算芯片开发提供了可行方案。
该工作中通过使用TuoTuo Technology的紫外无掩模光刻机UV Litho-ACA完成了器件制备过程中的电极图案设计。
厦门大学物理系博士生程安琪为文章的***作者，李煦副教授、吴志明教授和吴雅苹教授为论文的共同通讯作者。该工作还受到了国家自然科学基金、厦门市自然科学基金及中央高校基础科研业务费专项资金的支持。
论文链接： /10.1016/j.mattod.2025.08.031 |
