Sci. Adv.: 基于质子驱动Mott跃迁的神经形态计算器件

2024-06-19 04:06

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精确控制关联氧化物材料中自由度（电荷、自旋、轨道和晶格）之间复杂的相互作用，设计出多功能智能器件一直是信息科学和凝聚态物理的研究前沿热点。由小半径离子（H⁺、Li⁺、O^2-）在材料中的嵌入或脱嵌所引起的离子-电子-声子耦合为关联量子材料体系引入了离子调控自由度。质子（H⁺）作为最小和最轻的离子，其在材料中的具有更低的扩散势垒和更快的扩散速率，是离子电子学的理想选择。质子耦合效应已在关联电子材料体系诱导了众多新颖的物理现象，如Mott跃迁、拓扑霍尔效应、高温超导性等。

近日，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室、上海类脑与智能材料与器件研究中心段纯刚教授、向平华教授、钟妮教授科研团队在神经形态人工突触器件研究中取得重要进展。利用氢质子在关联电子氧化物中的空间演化实现了生物突触中基于习惯化和敏化学习行为的树状分层记忆特性，为开发具有自我学习和联想记忆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”为题，于2024年5月31日在Science Advances期刊上在线发表。华东师范大学为第一完成单位，上海市“超级博士后”邓兴、博士研究生刘雨翔和青年研究员杨振中为论文的共同第一作者，向平华教授、钟妮教授和段纯刚教授为论文通讯作者。

针对人工突触器件稳定性和未来大规模集成的需求，该研究团队在离子电子学人工神经突触器件方面展开深入系统的研究，打破传统器件依赖材料均匀性的制备思路，构建不对称器件（Au/SmNiO₃/Pt），通过室温下的贵金属催化掺氢实现了质子在关联电子氧化物SmNiO₃中的不均匀预掺入，并从原子尺度晶格结构和能带空间电子态结构角度出发，详细研究了该体系中质子-晶格-电荷之间的耦合机制。低的扩散势垒使得质子可以在超低电场下实现迁移，从而改变不均匀预掺入质子的浓度分布，使得该不对称两端器件（Au/SmNiO₃/H- SmNiO₃/Pt）表现出可靠且可逆的忆阻行为。原位表征技术和理论计算表明该行为来自于质子耦合电子转移效应控制的局域Mott跃迁。利用电脉冲对质子空间浓度变化的有效控制，可有效实现对生物突触中信息处理和记忆的动态过程的模拟，并进一步构建基于习惯化和敏化学习行为的树状分层记忆特性。这种通过质子重新分布修饰局部电子结构的类似方法可以拓展到其他关联氧化物量子材料中，并可用于设计具有高集成度、多功能和低能耗的智能设备和神经形态电路。