硅纳米片忆阻器阵列的可调控挥发/非挥发切换特性及其在储备池计算中的应用

来自国内的研究人员通过开发基于硅纳米片(Si NSs)的忆阻器阵列，解决了传统CMOS电路难以高效模拟神经形态特征的难题。该研究实现了通过纳米片横向尺寸调控银离子扩散行为，从而在同一材料中兼具挥发性和非挥发性切换特性，并成功构建了储备池计算(RC)系统，在图像识别和动态预测任务中展现出优异性能，为神经形态计算提供了新材料平台。

　　

这项突破性研究展示了基于少层硅纳米片(Si NSs)的忆阻器阵列如何通过结构调控实现智能切换。当纳米片横向尺寸缩小时，边缘氧空位会像"分子闸门"一样调控银(Ag)离子的渗透行为，产生挥发性切换（低至0.23V的置位电压），完美模拟生物神经元的动态特性；而较大尺寸纳米片则呈现非挥发性（0.24/-0.18V切换电压），其近线性电导更新特性堪比生物突触的可塑性。

研究团队巧妙利用这种"一材双态"特性，构建了全硅基储备池计算(RC)系统——挥发性器件构成动态储备池层，非挥发性器件作为读出层，就像给计算机装上了"硅基大脑"。在识别手写数字和预测动态系统时，这个神经形态处理器展现出媲美生物神经网络的时空信息处理能力。

更令人振奋的是，通过原子尺度分析发现，纳米片边缘就像"离子高速公路"的收费站，氧空位浓度决定了银离子形成导电细丝(conductive filament)的难易程度。这种边缘介导的调控机制，使得传统硅材料焕发出远超晶体硅的调控潜力，为后摩尔时代神经形态芯片开发开辟了新航道。