二维ReS2忆阻器中等离子体介导的极性调控及其在仿生级联架构中实现稳定-可塑协同的应用

本文突破性地提出了一种等离子体介导的极性调控策略，通过精确操控二维ReS2忆阻器（memristor）的硫空位浓度，实现了双极型-单极型（bipolar-unipolar）器件的可控转换。级联架构融合了双极型器件的快速突触可塑性（plasticity）与单极型器件的长时程稳定性（stability），在人工神经网络（ANN）中实现了2-bit/32-bit等效分类精度（98.4%）与16倍内存压缩，为神经形态计算（neuromorphic computing）提供了兼具生物拟真度与工业可扩展性的解决方案。

　　

Highlight

本研究通过氢等离子体（H₂ plasma）精确调控ReS₂中硫空位浓度，首次实现了仿生级联忆阻架构：前级双极型器件动态响应环境刺激（类似生物神经元短期增强），后级单极型器件稳定存储权重（模拟长期记忆巩固）。这种协同作用突破了传统"稳定性-可塑性困境"（stability-plasticity dilemma）。

性能亮点

• 空位浓度依赖的极性转换机制：XPS与TEM证实等离子体处理可原子级调控ReS₂硫空位（S-vacancy），实现双极型→单极型转换（图2d）

• 4态存储（2-bit）操作：级联架构通过电压编程实现高密度信息存储，功耗较传统CMOS降低3个数量级

• 工业兼容性：晶圆级阵列（wafer-scale array）器件良率达92%，开关比>10³，循环耐久性超10⁵次

材料表征与改性

氢等离子体处理后的ReS₂拉曼光谱显示E_g峰红移（图3a），XPS揭示S^2-结合能升高，证实硫空位浓度可控增加。透射电镜（TEM）直接观测到等离子体诱导的原子级缺陷重构（图3c插图）。

结论

该工作建立了"原子缺陷-器件功能-系统架构"的全链条创新范式，为开发兼具生物启发特性与半导体工艺兼容性的神经形态芯片提供了新思路。