近日，微電子學院錢凱教授團隊在二維氧化鎵憶阻器類腦芯片研究中取得新進展，相關成果以“Squeeze-Printing Ultrathin 2D Gallium Oxide out of Liquid Metal for Forming-Free Neuromorphic Memristors”為題，發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊(JCR一區(qū)，影響因子：10.383）。錢凱教授為論文通訊作者，微電子學院碩士研究生許藝萌為論文共同第一作者，山東大學為該論文第一完成單位。

在傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構計算系統(tǒng)中，由于計算和存儲的物理分離(即馮·諾依曼瓶頸)，大量數(shù)據(jù)頻繁地在處理器和存儲單元之間來回傳輸，產(chǎn)生較大的能耗（即功耗墻）。另一方面，隨著處理器和存儲單元之間的速度差距的增加，這種現(xiàn)象將進一步加劇(即存儲墻)。神經(jīng)形態(tài)計算參考人類大腦的高效并行進行學習、計算、推理等操作，是馮·諾依曼計算架構最具應用前景的替代方案之一。類似于生物突觸的權重調(diào)制，憶阻器可以通過控制外部電刺激表現(xiàn)出可調(diào)節(jié)的電導實現(xiàn)“存算一體”處理信息，為神經(jīng)形態(tài)計算實現(xiàn)高通量、高能效的信息處理提供了解決方案。因此，利用憶阻器精確有效地模擬突觸可塑性功能是實現(xiàn)類腦神經(jīng)形態(tài)計算中至關重要的一步。

自通過機械剝離發(fā)現(xiàn)單層石墨烯以來，二維材料因其優(yōu)異的特性極大地推動了光電器件的發(fā)展，其中二維金屬氧化物為高性能光電器件設計帶來了新的范式。Ga2O3具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、高擊穿場強(~8 MV/cm)及超寬帶隙(~ 4.8 eV)，在光電探測器、場效應晶體管、二極管等光電器件中有著廣泛應用。然而，如何制備高質(zhì)量超薄、大尺寸二維Ga2O3薄膜，并應用于神經(jīng)形態(tài)憶阻器中仍面臨諸多困難。本研究中，采用液態(tài)金屬擠壓印刷法成功制備了連續(xù)、均勻的大尺寸二維Ga2O3薄膜(~ 3nm)，并構建了可調(diào)突觸行為的憶阻器類腦神經(jīng)芯片。該器件不需要電形成過程(forming process)，且通過調(diào)節(jié)限制電流可實現(xiàn)多阻態(tài)高密度存儲。此外，具有可調(diào)電導的Ga2O3二維憶阻器成功模擬了生物突觸可塑性的多種功能，包括雙脈沖易化、脈沖時間依賴可塑性、長期記憶增強和抑制等，為未來實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計算奠定了基礎，展示了二維Ga2O3在進一步構建神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)方面的巨大潛力。