复旦大学NPJ Flexible Electronics: 基于分子铁电/半导体界面忆阻器的人工突触器件

随着人工智能的蓬勃发展，硬件实现人工神经网络的进程也在不断加快。受人脑处理信息的启发，利用人工突触实现神经形态计算，以类脑形式获取、整合和处理信息，已被证明具有打破冯·诺依曼瓶颈的潜力，在仿生人工智能中有广泛的应用前景。以忆阻器为核心的人工突触器件已被广泛研究，见诸报导的忆阻器主要基于导电细丝、缺陷等机制，导电沟道形成具有较大的随机性，且均一性难以满足规模化阵列制备要求。近年来，具有电压阈值的铁电器件（包括铁电隧道结和晶体管）逐渐地被视为一种合适的候选器件。然而，它们也常受制于无机铁电固有的集成或环境问题以及传统有机铁电的高矫顽电场与低自发极化的特性。新型分子铁电体（MFs）近年来也取得了非常大的突破，特别是一些可与无机铁电体相媲美的分子铁电体的发现，例如小分子材料克酮酸（CA），其自发极化P_s可达~30 μC/cm2，基于质子转移的铁电极化机制使它的矫顽电场可以小至~11-29 kV/cm；东南大学发现的基于离子极化机制的的二异丙胺溴盐（DIPAB）晶体自发极化接近BTO的数值，达到了23 μC/cm2，而其矫顽场E_c仅为~5 kV/cm。这些分子铁电体的出现为高性能有机铁电器件的研发提供了新的源泉。

近日，复旦大学信息科学与工程学院微纳系统中心的胡来归、秦亚杰团队和华东师范大学田博博课题组提出了一种基于载流子注入可控的铁电/半导体（MF/CuPc）界面型器件（图1），利用溶液法制备了高结晶度的DIPAB分子铁电薄膜，并构建了铁电/半导体界面结构，引入了可控的退极化场，将分子铁电材料使用于神经突触器件，呈现出固定可控的导电通道，为铁电极化在硬件实现神经形态传感和计算方面的应用提供了一种新的实现机制。由于分子铁电的优良特性和场放大效应，可以通过铁电极化对界面上载流子的调控对其电阻进行控制，实现了典型的脉冲时序依赖可塑性等突触特征。半导体的引入也赋予了器件光电突触的属性，可同时具有传感器和信息处理功能，并具有高图像识别精度，从原理上为感存算一体的人工视觉系统的实现提供了新的依据，这对实现基于铁电极化的多功能神经形态设备的硬件有着重要意义。相关成果以“Molecular ferroelectric/semiconductor interfacial memristors for artificial synapses”为题发表于 npj Flexible Electronics ，复旦大学信息学院博士生蔡依辰为该论文的作者。

图2 MF/CuPc界面器件电学特征。该研究提出了一种类突触的二端式光电忆阻器，发现高结晶度的DIPAB分子铁电(MF)薄膜的面内极化，在与其相邻的有机半导体层CuPc内存在着电场放大效应，使作为导电通道的光敏MF/CuPc界面表现出了优异的忆阻器行为。研究发现，这种CuPc/Au界面上的电荷密度受到了注入势垒的调制，而注入势垒又受控于极化后CuPc内的铁电逸散场，即可调控的注入导致了可调控的界面电导率，使器件呈现出类似于突触特征的多级记忆功能。

图3 MF/CuPc界面器件光学突触性质。半导体性的CuPc层使器件具有光电响应和光电突触功能，电学写入后，铁电层的极化能驱动半导体层内光生载流子的分离，意味着有可能构建基于铁电极化的感存算一体的人工视觉系统。

图4 基于MF/CuPc器件的光电人工神经网络模型用于图像感知、转换和处理，实现了对光学图像的感知、转换和处理，并具有较高的识别精度。