日前，我校數理學院物理系黃磊教授課題組提出一種基于MXene-TiO2異質結、以光電調制離子動態電容實現擬神經形態器件的新方法，這項研究成果以“MXene-TiO2 heterostructured iontronic neural devices based on ion-dynamic capacitance enabling optoelectronic modulation”為題，被學術期刊Applied Physics Reviews的編輯認為是該雜志最好的文章之一，并選擇將其作為特色論文（Featured Article）進行發表。

今年，物理學家約翰-霍普菲爾德（John J. Hopfield）和杰弗里-辛頓（Geoffrey E. Hinton）因“人工神經網絡進行機器學習的奠基性發現”而榮獲2024年諾貝爾物理學獎。隨著人工智能技術突破，神經形態計算在智能駕駛、大數據語言模型、人臉識別等領域的應用方興未艾，深刻地影響和改變人們的日常生活。人工智能和大數據時代對數據存儲與處理效率提出了更高要求，馮?諾依曼架構的巨大數據傳輸壓力和GPU能耗制約人工智能海量計算需求的瓶頸。研究模擬人腦神經突觸的感知-記憶-計算能力一體的擬神經形態器件以及發展神經形態計算是突破上述瓶頸的主要技術路徑。

目前，神經形態器件多是基于憶阻器或晶體管來實現的，這些類型器件的物理儲層狀態是通過電流通量獲得，不可避免地會導致過多的能量損耗。電流通量因可忽略不計的記憶電容器件可直接讀取電壓值、更低的功耗，而備受關注。二維材料因具有優異的載流子傳輸能力成為構筑新型神經形態器件的主要材料之一，目前已有大量研究報道用二維材料制備的憶阻器或神經突觸晶體管，但是基于離子型的二維記憶電容器件鮮有涉略。電容器件依賴電荷積累，與產生憶阻器的導電細絲是相反方向的過程。相對而言，二維材料的憶阻器件較易獲得，但制作二維記憶電容器件十分困難。

該論文研究了通過原位水熱氧化制備二維MXene/TiO2異質結構，并在聚酰亞胺基底上制作 Ag/MXene-TiO2/H3PO4-PVA/Ag 離子器件。在這種光電自適應離子電子結構中，依靠離子動態電容隨光電調制而改變的記憶電容效應具有類似于生物突觸的可塑性特征。其主要機理可能是金屬氧化物半導體在受光輻照后產生電子——空穴對，其產生的電子會遷移至二維的MXene，從而促進或抑制電場下質子的輸運。換而言之，在納米尺度下，原子級薄層中的電子輸運調制薄層間的質子輸運，即在二維體系中實現電子和離子的耦合。結合二維層狀材料及其異質結構具有卓越的電子和光學可調性、光與物質的強相互作用以及微小電壓驅動等特性，項目組制作的記憶電容型離子器件，能夠實現仿生的光電人工突觸，在神經形態計算適用性的評估中，達到手寫數字識別準確率（93.5%）。這項研究為未來離子型光電神經形態器件的開發提供了新方法。

離子動態記憶電容器件機制示意圖

(a) 紫外線照射MXene-TiO?電極 (b) 紫外線照射下MXene-TiO?電極能帶圖以及在歐姆接觸界面處相應的光激發電子

(c) 在紫外線照射下光激發電子捕獲質子以及去除紫外線照射后由于氫鍵導致質子滯后輸運

(d) 在紫外線照射下神經元中類似記憶電容機制的信息傳遞

(a)人類視覺系統的模擬圖 (b)雙層和多層感知神經網絡示意圖

(c)和(d)分別是基于所研制的記憶電容器件8×8像素和28×28像素手寫數字圖像識別準確率隨訓練輪次的變化情況

課題組一直以來專注于二維層狀材料異質結構界面與離子輸運性能之間的關系研究。創新性地提出：從二維材料原子級薄層表面容易被其它功能基團修飾著手，設置離子捕獲陷阱并與輸運通道中的離子形成氫鍵、離子偶極矩和范德華力等弱相互作用，使離子與二維層間通道表面間存在電荷轉移，誘發局域化的耦合效應，導致離子的遲滯輸運。這種弱相互作用下的離子遲滯輸運為構筑記憶電容型人工突觸器件打開了新空間。例如:利用絲素蛋白對石墨烯的插層，如同在層間輸運通道界面上設置了一個質子捕獲陷阱，使得絲素蛋白能捕獲質子并與之形成偶極子，從而增加對質子的遷移限制,導致質子的遲滯輸運，同時觀測到所產生的記憶電容效應[Adv. Funct. Mater. 2020，2003635]。這一結論同樣在二維MXene材料體系中得到驗證：質子在嵌入MXene的層間過程中，與MXene表面的羥基（OH）之間形成弱氫鍵，這一弱氫鍵使得質子在脫出過程中發生遲滯，從而產生記憶電容效應[Appl. Surf. Sci. 2023，639，158229]。這些研究結果說明：在二維層狀材料層間的離子輸運通道中，通過研究局域化的弱相互作用可以挖掘更深層次的離子輸運動態信息，從而為設計離子型神經形態突觸器件提供更好的切入點。

上海師范大學為本論文第一作者及唯一通訊作者單位，數理學院物理系常全鴻博士和2020級碩士研究生陳偉為共同第一作者、黃磊教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金和上海市自然科學基金的資助。

論文鏈接網址：https://doi.org/10.1063/5.0232001

（供稿、圖片：數理學院）