清華新聞網12月13日電12月4日，清華大學微納電子系任天令教授團隊在《美國化學學會·納米》（ACS Nano）上發表了題為《面向神經計算應用基於機械剝離二維鈣鈦礦材料的極低工作電流阻變存儲器》（「Extremely Low Operating Current Resistive Memory Based on Exfoliated 2D Perovskite Single Crystals for Neuromorphic Computing」）的研究論文，實現了阻變存儲器在10 pA極低工作電流下工作，其功耗僅為28 pW，遠低於傳統阻變存儲器mW~nW量級的功耗。該器件的仿生突觸能耗僅為400 fJ/spike，已經非常接近人腦～1-100 fJ/spike的超低能耗，此項成果對於極低功耗的仿生神經計算具有重要意義。
目前摩爾定律已經進入10 nm技術節點，探索新型微納電子器件極其必要，特別是近期AlphaGo等一系列人工智慧（AI）技術的興起，為新一代微納器件的研究提供了新的思路。然而目前人工智慧主要基於商用CPU開發人工智慧軟體算法，其突出缺點是功耗極大，比如2016年的阿爾法狗（Alphago）採用了1202個CPU和176個GPU來模擬人腦的分析判斷功能，功耗高達一萬瓦。而人腦的功耗僅為10W。研究將人工智慧算法硬體化以實現低功耗將是新一代微納器件研究的重要方向。人工智慧算法硬體化需要從底層探索新型仿生器件，為了實現器件的低功耗，需要讓器件在極低電流下工作。
圖一. 新型二維鈣鈦礦單晶及剝離出來的高質量二維鈣鈦礦單晶薄膜。
任天令教授團隊和普林斯頓大學巴裡·蘭德（Barry P. Rand）團隊聯合研發出一種新型的二維鈣鈦礦單晶(PEA)2PbBr4。這種新型二維鈣鈦礦單晶的能帶達到2.9 eV，在可見光下是透明的(圖一)。 基於新型的二維鈣鈦礦單晶，採用了機械剝離的方式獲得了高質量二維鈣鈦礦薄膜，並且通過二維幹法轉移的方式將石墨烯轉移到二維鈣鈦礦薄膜上面，構成了金/二維鈣鈦礦/石墨烯三明治結構（圖二）。該工作實現了兩個方面的創新：合成了一種全新的二維鈣鈦礦材料，具有較大的帶隙，能夠有效實現阻變存儲器在極低電流下工作；通過機械剝離法獲得了高質量二維鈣鈦礦單晶薄膜，能夠有效避免缺陷引起的漏電流。
圖二. 基於二維鈣鈦礦的阻變存儲器器件結構和觀察到的導電細絲。
圖三. 基於二維鈣鈦礦的阻變存儲器能夠工作在10pA極低電流下工作，其性能優於前人報導的性能。
在實驗中，研究人員首先採用原子力顯微鏡結合透射電子顯微鏡和能譜儀觀察到了二維鈣鈦礦中~20nm直徑的納米導電細絲，並且發現了Br-離子移動形成Br-空位的證據。在此基礎上，研究人員測試了不同器件面積下和不同厚度的二維鈣鈦礦，獲得了其初始形成導電細絲（Forming）所需的電場強度約為0.24 V/nm，並且實現了阻變存儲器在10 pA電流下工作（圖三）。相比於傳統阻變存儲器，研究人員研發的阻變存儲器工作電流顯著低於前人報導的電流值。在此基礎上，研究人員發現基於該器件的仿生突觸能耗僅為400 fJ/spike，並實現了短程記憶和長程記憶特性（圖四），為未來應用於低功耗仿生神經計算打下了基礎。
圖四. 基於二維鈣鈦礦阻變存儲器具有短程學習和長程學習特性。
近年來，任天令教授致力於研究突破傳統器件的局限性，為新一代微納電子器件技術奠定基礎，尤其關注基於面向人工智慧應用的二維材料基礎研究與應用探索，在基於二維材料的新型微納電子器件方面獲得了多項重要創新成果，如智能石墨烯人工喉、低功耗石墨烯阻變存儲器、石墨烯仿生突觸器件、柵控石墨烯阻變存儲器、石墨烯耳機、可頻率編碼的仿生突觸等，相關成果發表在《自然·通訊》（Nature Communications）《先進材料》（Advanced Materials）《納米快訊》（Nano Letters）《美國化學學會·納米》（ACS Nano）《電子器件快報》（IEEE EDL）等知名學術期刊上。
清華大學微納電子系助理教授田禾和美國普林斯頓大學博士生趙連鋒是文章的共同第一作者，清華大學微納電子系任天令教授和普林斯頓大學巴裡·蘭德（Barry Rand）教授是論文的通訊作者。該研究成果得到了國家自然基金重點項目和科技部項目的支持。
論文連結：
http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b05726
供稿：微電子和納電子學系 編輯：華山