近期，華東師范大學極化材料與器件教育部重點實驗室、上海類腦與智能材料與器件研究中心段純剛教授、向平華教授、鐘妮教授科研團隊在神經形態人工突觸器件研究中取得重要進展。利用氫質子在關聯氧化物量子材料中的空間演化實現了生物突觸中基于習慣化和敏化學習行為的樹狀分層記憶特性，為開發具有自我學習和聯想記憶能力的人工智能硬件提供了新思路。
研究成果以“Spatial evolution of the proton-coupled Mott transition in correlated oxides for neuromorphic computing”為題，于2024年5月31日在 Science Advances 期刊上在線發表。華東師范大學為第一完成單位，上海市“超級博士后”鄧興、博士研究生劉雨翔和青年研究員楊振中為論文的共同第一作者，向平華教授、鐘妮教授和段純剛教授為論文通訊作者。
Science Advances 刊發華東師大極化料與器件教育部重點實驗室最新研究成果
精確控制關聯氧化物量子材料中多個自由度（電荷、自旋、軌道和晶格）之間復雜的相互作用以設計出多功能智能器件一直是信息科學和凝聚態物理的研究前沿熱點。由小半徑離子（H+、Li+、O2-）在材料中的嵌入或脫嵌所引起的離子-電子-聲子耦合為關聯電子氧化物體系引入了離子這一調控自由度。離子調控因其具有優異的非易失性和基于擴散的巨大控制能力，是調控材料物性的有效方法。其中，質子（H+）作為最小和最輕的離子，其在材料中的具有更低的擴散勢壘和更快的擴散速率，是離子電子學的理想選擇。質子耦合效應已在關聯氧化物量子材料中誘導了眾多新穎的物理現象，如 Mott 躍遷、拓撲霍爾效應、高溫超導性等。
電解質門控、貴金屬催化、酸-金屬處理等技術已應用于材料中質子的調控研究。其中，基于電解質的電場門控技術可實現功能材料中質子的實時可控摻雜，使其在傳感器、智能窗口、人工神經突觸和電路等領域表現出廣泛的應用前景。但該技術在器件實際應用研究中仍存在一些主要與電解質（質子供給層）相關的問題，比如復雜的器件結構設計、液體電解質的不穩定性和腐蝕性以及固體電解質與氧化物薄膜之間的接觸問題等。
基于質子遷移的不對稱器件對生物突觸中樹狀分層記憶特性的模擬
針對人工突觸器件穩定性和未來大規模集成的需求，該研究團隊在離子電子學人工神經突觸器件方面展開深入系統的研究，打破傳統器件依賴材料均勻性的制備思路，構建不對稱器件（Au/SmNiO3/Pt），通過室溫下的貴金屬催化摻氫實現了質子在關聯電子氧化物SmNiO3中的不均勻預摻入，并從原子尺度晶格結構和能帶空間電子態結構角度出發，詳細研究了該體系中質子-晶格-電荷之間的耦合機制。低的擴散勢壘使得質子可以在超低電場下實現遷移，從而改變不均勻預摻入質子的濃度分布，使得該不對稱兩端器件（Au/SmNiO3/H- SmNiO3/Pt）表現出可靠且可逆的憶阻行為。原位表征技術和理論計算表明該行為來自于質子耦合電子轉移效應控制的局域Mott躍遷。利用電脈沖對質子空間濃度變化的有效控制，可有效實現對生物突觸中信息處理和記憶的動態過程的模擬，并進一步構建基于習慣化和敏化學習行為的樹狀分層記憶特性。這種通過質子重新分布修飾局部電子結構的類似方法可以拓展到其他關聯氧化物量子材料中，并可用于設計具有高集成度、多功能和低能耗的智能設備和神經形態電路。
該項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海張江國家自主創新示范區專項發展資金重大項目、上海科技創新行動計劃等項目的資助，以及華東師范大學公共創新服務平臺微納加工和電鏡中心等實驗平臺的支持。
附：
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk9928
來源｜物理與電子科學學院、科技處 編輯｜鄧安之 編審｜郭文君
