用于人工突触和量化感知神经网络的平面二硫化钨 - 聚乙烯醇混合忆阻器的光调制突触响应

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Light-modulated synaptic response of planar WS 2–PVA hybrid memristors for artificial synapses and quantization-aware neural networks

　　### 摘要要点- 利用液相剥离的WS?薄片制备了PVA-WS?忆阻器。- 缺陷相关的陷阱态实现了极性场辅助的电荷输运和电导调制。- 425 nm波长的光照增强了学习-遗忘行为。- 在120秒425 nm光照条件下，基于残差网络和CIFAR-10数据集的量化感知训练达到了82.30%的准确率。### 引言人工智能和数据密集型计算的快速发展，对能够克服传统冯·诺依曼架构在能耗和延迟方面限制的硬件系统提出了迫切需求。神经形态计算通过将存储和信息处理结合在类突触器件中，提供了一条有前景的技术路径[1]。在众多器件平台中，忆阻器因其两端结构、非易失性电导状态以及历史依赖的电阻调制特性而备受关注，这些特性使其能够模拟生物突触功能，如长时程增强、长时程抑制和多级权重更新[2]。二维过渡金属二硫化物（2D TMDCs）因其原子级分层结构、可调带隙、强光-物质相互作用以及对缺陷敏感的电荷输运特性，已成为忆阻器和神经形态器件领域颇具前景的材料[3]。近期研究表明，MoSe?晶体管和石墨烯/WSe?范德华异质结表现出电可调载流子输运特性[4,5]，其他二维异质结也展现出令人鼓舞的电阻开关和非易失性存储性能[6,7]。在这些材料中，WS?尤为突出，因为其厚度、界面效应、硫空位相关状态以及外部电学或光学刺激都会对其电学和光学性质产生显著影响[8,9]。此前研究已展示了WS?基忆阻系统的应用潜力，详见支持信息（SI）中表S1的总结。Zhang等人[10]报道了一种超薄WS?/MoS?异质结忆阻器，其ON/OFF比高达10?且耐疲劳性增强。Cao等人[11]证明了WS?-聚合物纳米复合物忆阻器具有稳定的存储特性，Yan等人[8]则展示了WS?纳米片中的空位相关状态如何调控电荷捕获并支持低功耗突触行为。然而，在多种WS?基忆阻系统中均报道了强局域化的缺陷介导输运现象，这可能导致突变式开关、循环间波动以及对中间电导状态的调控受限。这些局限性对于需要渐进且可重复电导调制的人工突触而言是不利的。聚合物辅助的二维材料复合材料为提高电荷输运的均匀性和可控性提供了一种实用方案。在这些混合系统中，聚合物基质可以减轻纳米片的严重团聚、改善薄膜连续性，并产生分布式界面陷阱位点。这些特性能够降低高度局域化的电场，促进渐进的电荷捕获和释放。Vega-Mayoral等人发现，将液相剥离的WS?纳米片嵌入聚乙烯醇（PVA）中可以在聚合物基质中保留其光致发光特性，表明PVA能够稳定剥离后的WS?并保持其光学活性[12]。这一特性对于光电子和光增强突触器件至关重要，因为光学吸收、光生载流子产生、缺陷辅助捕获以及电导调制必须协同工作。尽管具备上述优势，WS?-聚合物复合忆阻器仍缺乏充分探索，尤其是在简单的平面架构中。已报道的大多数器件主要关注电学电阻开关或基础存储行为，而稳定的模拟开关、自整流、可重复的突触调制以及波长依赖性光电子塑性的集成尚未得到充分阐明。这一空白对于神经形态视觉系统尤为重要，因为光不仅应作为外部刺激，还应作为电导调制和存储形成的输入。Xie等人的研究表明，基于低维材料的光电人工突触可以通过光刺激调控载流子产生、陷阱占据和突触电导状态[13]。近期关于光响应半导体系统的研究进一步强调了协调的光学吸收、载流子输运和界面稳定性在决定光电性能中的重要性[14]。此外，无铅Cs?CeBr?器件中已实现波长选择性光探测，其光谱响应与光学激发和载流子/缺陷动力学密切相关[15]。Molas等人发现WS?的光学响应受激子跃迁和层数依赖的电子结构显著影响[9]，而Bretscher等人发现硫空位相关缺陷对二维TMDCs的激子和光电行为有显著影响[16]。将剥离的WS?纳米片与PVA基质结合，是将电学开关与光辅助电导调制集成为一种光学可调人工突触的有前景的方法。在本工作中，我们利用嵌入PVA基质中的液相剥离WS?薄片作为活性层，开发了一种平面型Cr/WS?-PVA/Cr忆阻器件。本工作首次实验验证了WS?-PVA混合忆阻器，该器件结合了300次连续循环内稳定的模拟电阻开关以及自整流和状态依赖的电容行为。除电学开关外，该器件还表现出具有波长依赖性光响应的光可调突触行为。在425 nm光照下，突触响应进一步增强，实现了光辅助学习和撤光后的渐进式遗忘。### 各节摘要#### WS?薄片的剥离WS?薄片通过N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中的液相剥离法制备，如图1a所示。首先，将NaOH溶解于DMF中配制成0.25 mg mL?1的溶液。然后，将0.1 g的WS?块体粉末加入20 mL上述溶液中，磁力搅拌直至获得均匀悬浮液。将悬浮液在30°C下超声处理30分钟以促进块体WS?剥离为少层薄片（见图S1）。超声处理结束后，悬浮液……#### 结构、形貌、光学及化学特性图2展示了块体WS?、剥离WS?薄片以及WS?-PVA复合物的结构和光学表征结果。图2a中的XRD图谱显示，块体WS?在2θ = 14.28°、28.85°、32.75°、33.55°、39.46°、43.87°、49.64°、58.38°和60.49°处呈现一系列清晰定义的衍射峰，这些峰对应于六方2H-WS?的特征晶面，与标准JCPDS 08-0237图谱一致[17]。液相剥离后，非基面……#### 结论利用嵌入PVA基质中的液相剥离WS?纳米片制备了一种平面型Cr/WS?-PVA/Cr忆阻器件。剥离后的WS?在嵌入聚合物基质后仍保留了其分层2H结构和特征光学特性。与硫缺陷、暴露WS?边缘以及聚合物辅助陷阱中心相关的缺陷态与WS?-PVA混合层中观察到的渐进电荷调制相一致。在超过300次连续循环中，……#### CRediT作者贡献声明**Trung Ngoc Bao Duong：** 撰写—原始草稿、调查研究。**Duc Minh Nguyen：** 撰写—原始草稿、调查研究。**Truong Phi Le：** 方法论、形式化分析。**Hoang-Tho Nguyen：** 数据管理。**Huong Ngoc Phan：** 可视化。**Phu-Quan Pham：** 撰写—原始草稿、方法论。**Hoang-Tuan Tong：** 监督指导。**Nhat Quang Minh Tran：** 形式化分析。**Thuy Dieu Thi Ung：** 方法论。**Masamichi Yoshimura：** 资源支持。**Quang Nguyen：** 验证。**Thuat Tran Nguyen：** 验证、监督指导。**Son Van Dang**……#### 基金资助本研究由越南国家大学-河内大学资助，项目编号QG.24.98。#### 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**作者列表：** Trung Ngoc Bao Duong | Duc Minh Nguyen | Truong Phi Le | Hoang-Tho Nguyen | Huong Ngoc Phan | Phu-Quan Pham | Hoang-Tuan Tong | Nhat Quang Minh Tran | Thuy Dieu Thi Ung | Masamichi Yoshimura | Quang Nguyen | Thuat Tran Nguyen | Son Van Dang | Ngoc Kim Pham