质子通量阈值驱动的MoOx半导体相变调控：从非易失性存储到电化学能量转换的跨功能集成

为解决质子驱动相变材料在信息存储与能量转换中的精确调控难题，研究人员通过“片上实验室”系统结合原位电学/光谱表征与密度泛函理论计算，揭示了MoOx半导体中质子通量阈值（QH~1017 cm-2）驱动的动态相变机制。研究发现，适度质子嵌入（H/Mo达22%）可实现五数量级电导调制（10-5-100 S），优于传统氧空位工程；超越阈值则触发电-化学能转换，催化析氢速率提升2倍。该研究为多功能半导体器件设计提供了新范式，并成功构建了全电化学随机存储器（ECRAM）神经形态网络，在噪声环境下实现高效稀疏信号处理。

　　

半导体材料的相变行为如同自然界的“变形记”，微小的离子迁移就能引发材料性质的巨变。在信息存储和能源转换领域，这类材料被视为革命性突破的关键。然而，如何像指挥家精准控制乐团般调控相变过程？如何实时捕捉原子尺度的动态变化？这些核心问题长期困扰着研究者。更棘手的是，传统研究将存储与催化视为孤立现象，忽视了二者可能共享的物理化学机制。

针对这些挑战，香港理工大学与华南师范大学的研究团队选择具有多价态（Mo⁶⁺/Mo⁵⁺/Mo⁴⁺）特性的三氧化钼（MoO_x）作为研究对象。通过原子层沉积（ALD）制备的MoO_2.96薄膜，在质子嵌入后转变为H_0.22MoO_2.96，其电导率变化跨越五个数量级，远超传统氧空位调控的效果。这项突破性成果发表于《Nature Communications》，揭示了质子动力学如何架起信息存储与能量转换的桥梁。

研究团队采用多尺度技术联用策略：1）通过原位紫外-可见吸收光谱捕捉极化子形成过程；2）利用同步辐射X射线吸收谱（XAS）解析Mo 4d轨道电子填充；3）结合电化学三电极体系量化析氢反应（HER）的Tafel斜率变化；4）基于密度泛函理论（DFT）计算质子吸附能与电荷密度分布；5）构建30节点全ECRAM硬件网络验证神经形态计算性能。

多维分析MoO_x相变
X射线光电子能谱（XPS）显示质子嵌入使Mo⁶⁺占比从92%降至70%，同步辐射证实O 2p-Mo 4d杂化轨道电子填充。理论计算揭示HMo₄O₁₂的导带出现离域态，电荷传输路径从对称位点（O_s）转向非对称位点（O_a）。

连接存储与能量转换的相变
当质子通量Q_H<10¹⁷ cm^-2时，ECRAM器件实现10⁵倍电导调制（G_max/G_min），变异系数低至0.004-0.057；超越该阈值后，HER反应速率翻倍，Tafel斜率从120 mV/dec降至60 mV/dec。DFT计算表明H/Mo=0.25时质子吸附能趋于稳定，与实验阈值高度吻合。

M-O-H键合的器件性能影响
原位光学测量发现680 nm处极化子吸收峰，结合能U随时间递减。氧空位丰富的MoO_2.64器件反应速率更快，但动态范围较化学计量比优化的MoO_2.96缩小10倍，证实理想Mo/O比是拓宽电导调控范围的关键。

全ECRAM神经形态网络
基于质子历史依赖的电导特性，构建的脉冲神经网络（SNN）采用时序等级编码（rank-order-coding），在像素翻转和灰度噪声干扰下仍保持98.3%分类准确率，功耗较传统人工神经网络（ANN）降低80%。

该研究建立了质子通量阈值调控的普适性框架，不仅解释了MoO_x在OLED、太阳能电池等器件中的性能波动机制，更开创了“存储-催化”双功能集成的新范式。通过揭示质子积累历史与材料功能的定量关系，为智能响应材料的设计提供了理论基石。未来，这种机制有望拓展至TiO₂、WO₃等过渡金属氧化物体系，推动半导体技术向多模态自适应方向发展。