东华大学张耀鹏教授、范苏娜副教授《J. Mater. Chem. C》：用于突触仿真的丝素蛋白多级存储忆阻器
突触是神经网络的基本单元，在认知过程和记忆中起着重要作用。随着数字信息的快速增长，如何模拟突触的结构和功能来构建存储设备变得越来越重要。忆阻器的结构和工作原理与突触相似，并集成了存储和计算功能，已成为构建人工突触的理想选择之一。然而，目前报道的双阻态忆阻器的存储密度较低，限制了忆阻器的存储容量，无法满足神经形态计算的大规模并行计算和高密度存储的要求。因此，开发具有多阻态的新型忆阻器是一种可取的策略，也是忆阻器未来发展的方向。
近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、范苏娜团队报道了基于丝素蛋白（SF）与石墨烯量子点（GQDs）的多阻态忆阻器。该器件在单一循环周期内实现了多级存储，三个阻态保持时长均超过104 s，且实现了对突触基本功能的仿生模拟。相关研究成果以题" Silk fibroin/graphene quantum dots composite memristor with multi-level resistive switching for synaptic emulators "发表于Journal of Materials Chemistry C。论文的第一作者为东华大学范苏娜副教授和刘枢滨硕士，通讯作者为东华大学张耀鹏教授，硕士生谢玉龙和周兴陆为共同作者。
图1 SF-GQDs复合忆阻器的制备
（a）器件结构示意图；（b）功能层厚度分析；（c）AFM图；（d）忆阻器的光学照片
研究者利用层层自组装的方法分别构筑了ITO/GQDs/SF/Al忆阻器和ITO/GQDs/SF/GQDs/Al忆阻器，两者的区别在于忆阻功能层的组成（图1）。两者功能层的表面粗糙度均相对较低，有利于器件稳定运行。
图2 ITO/GQDs/SF/Al忆阻器（a-c, g）和ITO/GQDs/SF/GQDs/Al忆阻器（d-f, h）的忆阻性能对比
（a）（d）I-V特性曲线；（b）（e）VSET和VRESET分布;（c）（f）时间保持特性；（g）(h)阻态分布;（i）开关电流比随电压变化的曲线
ITO/GQDs/SF/Al忆阻器在-1.4 V电位下发生SET过程；随后在2.1 V电位下发生RESET过程，表现出双极性电阻转变特性（图2a-c）。然而，ITO/GQDs/SF/GQDs/Al忆阻器在-1.28 V电压下发生SET过程；且分别在1.52 V及3.84 V的电压下发生两次RESET过程，即在同一循环周期中实现了三阻态（图2d-f）。上述两种器件均具有良好的阻态保持特性、器件重复性及较大的开关比（图2g-i）。
图3 ITO/GQDs/SF/GQDs/Al忆阻器的工作机制
（a-c）I-V特征曲线的拟合分析；（d）忆阻功能层的能级图；（e）器件的一维结构模型和电荷分布图；（f）电阻转变过程示意图
通过对I-V特性曲线进行拟合分析，ITO/GQDs/SF/GQDs/Al忆阻器的SET过程由空间电荷限制电流机制主导，RESET过程则由肖特基发射机制主导。该忆阻器可实现三阻态转变的主要原因在于GQDs与SF界面处势垒的存在（图3）。
图4 ITO/GQDs/SF/GQDs/Al忆阻器的突触可塑性
（a）在正向偏置电压和（b）负向偏置电压下的非线性传输性能；（c）脉冲间隔为 0.05 s 和（d）0.25 s时，双脉冲易化（PPF）效应；（e）脉冲间隔对PPF效应的影响；（f）不同器件在多次连续脉冲刺激下的输出电流
在直流电压模式下，ITO/GQDs/SF/GQDs/Al忆阻器的输出电流随施加的电压幅值增大而逐渐增加；相反，随着施加逐渐减小的负向电压，输出电流逐渐减小，表现出非线性电学传输特性，与神经突触权重调节功能类似（图4）。在脉冲电压的持续刺激下，可仿生模拟神经突触权重增强和抑制过程。同时，该器件可模拟突触的双脉冲易化（PPF）、双脉冲抑制（PPD）连续短程可塑性（STP），有望用于构建人工突触和大脑启发型记忆器件。
此工作得到了上海市科委基础研究项目、上海市科委青年科技启明星项目、国家自然科学基金、上海市东方英才领军项目等项目的资助。特别感谢岛津公司刘仁威博士在 AFM表征方面提供的帮助。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D3TC04507B
