基于体相纳米晶化的范德华突触存储器单片集成技术突破

本文报道了通过等离子体增强晶格畸变技术实现范德华(vdW)异质结中1选择器-1电阻(1S1R)突触存储器的单片集成。该研究克服了传统器件集成技术的局限，利用导电原子力显微镜(C-AFM)和扫描透射电镜(STEM)解析了VSe2的纳米晶化机制，在2D/3D界面实现了线性权重更新的突触功能，为下一代三维集成神经形态器件提供了系统平台。

　　

在人工智能与边缘计算时代，实时数据处理需求催生了神经形态硬件的发展。范德华(vdW)材料因其原子级厚度和优异机械柔性，为三维单片集成(M3D)提供了革命性解决方案。本研究通过创新性等离子体增强晶格畸变技术，在室温下实现了VSe₂纳米晶化，成功构建了1选择器-1电阻(1S1R)突触存储器的单片集成架构。

原子尺度观察揭示纳米晶化机制

采用Ar+H₂S等离子体处理诱导VSe₂体相材料的纳米晶化，通过扫描透射电子显微镜(STEM)和X射线光电子能谱(XPS)证实了V-S键形成。光致红外力显微镜(PiFM)以亚10纳米分辨率揭示了980 cm^-1处O-H伸缩峰的空间分布，证实了晶界钝化效应。随着射频功率从300W增至400W，纳米晶区域从107.29 nm²扩展至752.12 nm²。

双极阻变性能的系统评估

该1S1R器件展现出典型的双极阻变特性，最大电流(I_max)、最小电流(I_min)和高阻态电流(I_HRS)分别为6.91×10^-10 A、1.30×10^-13 A和1.27×10^-10 A，选择比和开关比达到5.44和5.61×10³。时间分辨电流映射显示，在±5V脉冲刺激下可实现稳定的高阻态(0.137nA)与低阻态(0.851nA)切换。

空间分辨的阻变动力学

创新性双探针导电原子力显微镜(C-AFM)系统实现了纳米尺度阻变动力学的实时观测。"set/reset"操作序列证实了导电细丝的形成与断裂过程。接触面积从400nm²增至2500nm²时，局部电流传导增强，揭示了面积依赖的阻变特性。

1S1R功能的单片调控

通过调节等离子体功率可精确控制选择器与存储层的垂直比例（3-7层），相应滞回窗口从0.21V扩展至2.51V。栅极可调的微分电导谱(dI/dV)显示，随着选择器层数增加，带隙呈现系统性展宽，这种能带工程为器件性能调控提供了新维度。

突触响应与神经形态应用

该器件在300-450K温度范围内展现出稳健的长时程增强/抑制(LTP/LTD)特性，脉冲数、持续时间和强度可精确调控突触权重。50个器件的开关电压偏差小于5%，耐久性超过1.8×10⁷次循环。这种基于界面电荷积累的突触行为，为神经形态计算硬件提供了理想平台。

这项研究通过创新的等离子体纳米晶化技术，实现了范德华材料从基础特性到器件集成的突破，为三维集成神经形态系统和人工智能硬件发展开辟了新途径。