综述：二维铁电突触器件——多元耦合机制驱动的新前沿

本综述系统探讨了二维（2D）范德华（vdW）铁电（FE）材料在神经形态计算中的突触应用，重点分析了其通过极化耦合机制（如电/光/应变响应）实现生物突触行为模拟的潜力，为高性能、高集成度（CMOS兼容）及低功耗类脑芯片设计提供新范式。

　　

引言：二维铁电材料的崛起

二维范德华（van der Waals, vdW）铁电材料因其在原子级厚度下仍保持铁电性（ferroelectricity），近年来成为神经形态计算系统中突触器件的理想候选。其原子级平整界面、机械柔性和类似乐高积木的堆叠能力，与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，可实现高集成密度、低能耗操作和快速开关速度。更重要的是，二维铁电材料的内禀极化能够与多种物理现象耦合，为模拟生物突触的复杂功能提供了独特平台。

神经形态计算与二维铁电材料的优势

神经形态计算旨在通过硬件模拟人脑的神经网络结构，以解决传统冯·诺依曼架构的能效瓶颈。二维铁电材料在此领域展现出三大优势：其一，原子层厚度下的铁电稳定性为器件微型化提供基础；其二，vdW界面无需晶格匹配，支持异质集成；其三，多种极化耦合机制（如电-光-应变协同）可精准调控突触权重。

二维铁电材料的耦合机制分类

根据极化与外部场耦合方式，二维铁电材料可分为五类：

1. 1.

   电学耦合：通过外电场调控极化方向，实现电阻态切换（如忆阻行为）；

2. 2.

   光学耦合：利用光敏特性实现光控突触可塑性（如光致极化翻转）；

3. 3.

   应变耦合：机械应力调制铁电畴结构，模拟突触的机械敏感性；

4. 4.

   热学耦合：温度变化诱导相变，用于热历史依赖的突触行为；

5. 5.

   多场耦合：电场、光场、应变场协同作用，复现生物突触的多模态响应。

耦合机制在突触器件中的实现

电学耦合突触

以二硫化钼（MoS₂）/铜铟磷硫（CuInP₂S₆）异质结为例，电场控制铁电畴翻转可模拟突触长时程增强（LTP）和抑制（LTD），器件能耗低至飞焦（fJ）级别。

光学耦合突触

硒化铟（In₂Se₃）等光铁电材料可通过紫外-可见光调控极化电荷，实现光脉冲触发突触短时可塑性（STP），适用于视觉神经网络模拟。

应变耦合突触

柔性衬底上的二维铁电体（如α-GeTe）在弯曲应变下可调节畴壁运动，模仿生物突触的机械敏感特性，为可穿戴神经形态设备提供可能。

挑战与展望

当前二维铁电突触器件仍面临三大挑战：其一，材料制备的规模化与一致性；其二，多场耦合机制的协同控制精度；其三，与CMOS工艺的深度集成方案。未来研究需聚焦于开发新型二维铁电体（如滑移铁电体）、优化异质结设计，并探索脉冲神经网络（SNN）中的动态映射机制。

结语

二维铁电材料通过多元耦合机制为突触器件提供了高度生物拟真的硬件平台，其原子级厚度、柔性及多场调控特性有望推动神经形态计算迈向高能效、高集成度和多模态感知的新阶段。