IF 15.8！基于二维钴磷三硫化物的高速低能耗阻变开关用于高效神经形态计算

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二维（2D）材料因其优异的电可调性、机械柔性和异质集成兼容性，在神经形态计算架构的开发中具有巨大潜力。然而，2D忆阻器在神经形态计算中的实际应用往往受到同时实现低延迟和低能耗的挑战的阻碍。本文展示了基于二维钴磷三硫化物（CoPS₃）的忆阻器，其实现了包括高开关速度（20 ns）、低开关能量（1.15 pJ）、高开关比（>400）和低开关电压（置位1.05 V，复位-0.89 V）在内的优异性能指标。通过电形成过程在CoPS₃中创建硫空位，促进了导电细丝的形成，从而实现了均匀的快速开关，且能耗极低。CoPS₃忆阻器还表现出线性电导调制和长期记忆保持能力，能够高精度模拟人工神经网络用于手写数字识别以及卷积神经网络用于图像处理。此外，在溶液处理的大规模CoPS₃薄膜中也实现了稳健的忆阻开关特性，凸显了其在晶圆级低温集成中的潜力。快速开关、低能耗、长记忆保持、高开关比、线性电导更新和可扩展性的结合，展现了二维CoPS₃材料在高效神经形态计算电路中的巨大潜力。

创新点

1. 将二维钴磷三硫化物（CoPS₃）应用于忆阻器，实现了高开关速度（20 ns）和低开关能量（1.15 pJ）的优异性能。

2. CoPS₃忆阻器在低开关电压（置位1.05 V，复位-0.89 V）下工作，降低了能耗。

3. 通过电形成过程创建硫空位，促进导电细丝的形成，实现了均匀且稳定的开关特性。

4. CoPS₃忆阻器表现出线性电导更新特性，适用于高精度神经形态计算任务。

5. 在溶液处理的大规模CoPS₃薄膜中实现了稳健的忆阻开关，展示了其在晶圆级低温集成中的潜力。

科研工作的启发

1. 进一步证明了二维材料在神经形态计算中的独特优势，为未来开发高性能计算器件提供了新方向。

2. 通过优化材料结构和开关机制，实现了低能耗操作，为开发绿色节能的计算技术提供了参考。

3. 硫空位和导电细丝的形成机制为理解忆阻器的开关行为提供了新的视角，有助于设计更稳定的器件。

4. CoPS₃忆阻器的线性电导调制和长期记忆保持能力为模拟人工神经网络和卷积神经网络提供了硬件基础，推动了神经形态计算的发展。

思路延伸

1. 探索其他二维材料或复合结构，以进一步提高忆阻器的性能和稳定性。

2. 通过理论计算和实验结合，深入研究硫空位和导电细丝的形成机制，为器件设计提供理论指导。

3. 将CoPS₃忆阻器应用于其他计算任务，如语音识别、自然语言处理等，验证其通用性和适用性。

4. 开发更高效的晶圆级集成技术，推动CoPS₃忆阻器在大规模计算系统中的应用。

5. 将CoPS₃忆阻器与光电子学、量子计算等技术结合，探索其在多功能计算系统中的潜力。

在生命科学领域的应用

1. 生物传感器：CoPS₃的高灵敏度和低能耗特性使其成为检测生物分子和病原体的理想材料，适用于疾病早期诊断和便携式医疗设备。

2. 神经接口与脑机交互：CoPS₃忆阻器可模拟生物神经元突触行为，为开发高性能神经接口和低损伤植入式脑机交互系统提供硬件支持。

3. 药物递送系统：CoPS₃的电学特性可用于设计智能药物递送系统，实现药物的可控释放和靶向治疗，减少副作用。

4. 组织工程与再生医学：CoPS₃的柔性和导电性使其适合作为生物支架材料，促进组织修复和再生，并可用于电刺激治疗。

5. 抗菌与抗感染应用：CoPS₃的硫空位和表面活性赋予其抗菌性能，可用于开发抗菌涂层或敷料，预防和治疗感染。

6. 生物电子器件：CoPS₃的柔性和低能耗特性使其适合用于可穿戴设备和植入式电子器件，如心率监测器和心脏起搏器。

High-Speed and Low-Energy Resistive Switching with Two-Dimensional Cobalt Phosphorus Trisulfide for Efficient Neuromorphic Computing

ACS Nano (IF 15.8)

Pub Date  : 2024-12-31

DOI : 10.1021/acsnano.4c11890

Yun Ji, Baoshan Tang, Jinyong Wang, Haofei Zheng, Zhengjin Weng, Yangwu Wu, Sifan Li, Aaron Voon-Yew Thean, Kah-Wee Ang

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