火烧、辐射都不怕,全无机离子聚合物忆阻器实现高性能柔性人工突触

从2008年问世以来,忆阻器便吸引了研究人员的广泛关注,其高密度、低功耗以及电阻可调的优势彰显了它在突触模拟器领域的巨大潜力。迄今为止,具备忆阻行为的材料主要可以分为以下三种:

(1)无机晶体材料(包括TiO2、ZnO等),这一类材料热稳定性较好,但是机械柔性差且制备工艺复杂。

(2)有机小分子材料(Alq3、染料等),柔韧性优良,制备条件温和,但是热稳定性及环境稳定性较差。

(3)有机-无机复合材料(通常情况下,以无机纳米材料为客体,有机聚合物材料为主体进行掺杂、复合),这一类材料兼具了较好的稳定性与柔性,然而在制备过程中需要克服相分离的问题。

大量的研究表明,优异的柔韧性与极佳的环境稳定性类似鱼与熊掌,难以兼得,极大的限制了忆阻器件在新型领域如可拉伸显示、智能皮肤等方向上的应用。

鉴于此,苏州大学贺竞辉路建美团队开创性的设计制备了一种全无机的离子聚合物材料多磷酸铵(APP),APP由多磷酸主链和侧链的铵离子组成,兼具了聚合物链的柔韧性和离子键的高稳定性。基于APP材料制备的忆阻器件在时长仅20 ns,幅值为0.1 V以及高达10000次的电脉冲周期下表现出优异的突触行为此外,该器件可以在360°的弯曲条件下正常工作,其电学性能在经过60秒的燃烧和高达5.6 kGy的伽马射线辐射下仍然能够保持,在可重构射频系统、极端环境电子、生物仿真系统等领域表现出极大的应用潜力。该研究以题“All-inorganic ionic polymer-based memristor for high-performance and flexible artificial synapse”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

苏大路建美、贺竞辉《AFM》:火烧、辐射都不怕,全无机离子聚合物忆阻器实现高性能柔性人工突触

【神经突触与忆阻器件的结构】

突触指的是人类大脑中轴突和树突之间的间隙,承载着信息传递的功能(图1a)。作者以APP为忆阻介质(图1c),旋涂制备了两端式的忆阻器件(Au/APP/ITO,图1b)来模拟突触的结构。由于不同的退火温度会导致APP薄膜结晶程度上的差异,作者选取了100℃作为退火温度。界面的SEM图片表明器件具有分明的层状结构(图1d)。相较于APP粉末,退火后的APP薄膜表面光滑紧凑,其表面氨基基团的增加更加有利于离子的迁移,赋予了器件良好的电学性能。

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图1. 人类突触与基于APP材料的忆阻器件的结构

 

【忆阻器件模拟人类突触行为】

在连续的正/反向电压扫描中,随着扫描次数的增加,器件的电流呈现连续降低的趋势,表现出了明显的忆阻行为(图2a,b,c)。为了模拟人类大脑中突触间传递信息这一瞬时行为(50 ms),作者进一步采用了纳秒级别的电脉冲对忆阻器件的电学性能进行表征。结果显示,器件的突触行为对所施加的电脉冲的幅值、间隔以及宽度具有极大的依赖性,具体表现为,幅值越大(-0.4 V),宽度越长(20000 ns),间隔越短(20 ns),器件的电阻值变化的越大。该器件的响应时间、持续时间以及转变速率都满足了模拟人类突触的要求。

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图2.忆阻器件的忆阻特性和对人类突触行为的模拟

 

【忆阻器件突触可塑性研究】

当接受到刺激时,人类突触在刺激结束后的一段时间内仍然能够保持兴奋,即兴奋性突触后电位和兴奋性突触后电流(EPSC)。作者采用幅值为1-10V的电脉冲对器件进行刺激,发现器件的电流及时响应,并在电压出发结束后仍然维持了几纳秒的时间,成功实现了EPSC的功能(图3a)。通过对连续电脉冲刺激下器件的电流反应数据进行拟合,还获得了器件的突触权重变化曲线(图3b)。值得关注的是,通过对器件进行高达10000次的电脉冲刺激,器件的电流值表现出了长程抑制的趋势(图3c,d)。此外,通过对电脉冲施加的时间进行调控,器件成功的重现了人类突触中的峰时依赖可塑性(STDP)规则(图3e)。

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图3. 忆阻器件对人类突触可塑性的重现

【忆阻器件的柔性及环境稳定性】

由于APP材料本身良好的柔性、无毒、透明以及生物可降解等特性,制备出的忆阻器件表现出了优异的柔性(360°弯曲,图4a)、透明可贴附(图4b,c)、生物降解(图4d,e)等功能。重要的是,即使在极端的工作环境下,包括95%的湿度环境,高强度的伽马射线辐射(图4j)甚至置身火焰中(图4k),器件都能够维持良好的工作特性,证明了器件极为优异的环境稳定性。

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图4.忆阻器件的机械性能与极端环境耐腐蚀性能

 

【器件忆阻行为的机理】

为了揭示器件忆阻行为的原理,作者在APP忆阻层与金电极之间插入了一层仅允许质子或阳离子通过的电解质层,并采用了C-AFM和KPFM等手段进行探究。结果显示,器件的忆阻行为主要源于电场引起的电子/空穴注入到APP薄膜中,导致薄膜中质子与铵根的分离和迁移,从而实现了对器件电阻的连续调控(图 5)。

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图5. 忆阻器件阻变机理探究

总结:作者设计制备了兼具高柔性与环境稳定性的全无机聚合物材料APP并将其应用于忆阻器件,成功重现了包括STDP、EPSC等人类突触的行为。同时,该器件具备优异的生物兼容性和环境友好性,能够工作在各类极端环境下,彰显了其在未来绿色电子、生物系统仿真以及神经形态计算等领域巨大的应用潜力。

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