银离子与羧基的络合能够实现颗粒薄膜电导的连续可调。如果注入的活性金属离子不参与络合,在电场作用下将迁移并直接还原形成金属导电细丝,实现电导的突变。在同一材料中实现电导的连续可调(模拟式)与突变(数字式)将有助于降低能耗与电路复杂性,有利于实现存内计算以及探索新的阻变机制。基于此,研究人员提出配体交换的方法并在金属纳米颗粒薄膜中实现了模拟式与数字式并存的阻变行为。他们采用金属铜作为活性电极,注入的铜离子不能与羧基产生有效的络合,从而实现了数字式电阻转变;采用配体交换方法,将羧基配体置换为半胱氨酸分子,在氨基的辅助下,该配体分子与铜离子形成稳定的络合物导电桥,实现了模拟式的电导调制。随后,团队将单个器件用于模拟常见的突触行为,器件阵列用于构建单层感知机并实现了100%准确率的图形识别。相关成果以Ligand exchange reaction enables digital-to-analog resistive switching and artificial synapse within metal nanoparticles为题发表在Adv. Funct. Mater.上。
纳米颗粒是研究分子电子学的理想模型。研究纳米颗粒薄膜限域结构中电荷的输运机制不但有助于理解复杂体系中信息的处理方式,同时对设计和构建新型纳米(分子)电子器件、提升器件性能提供理论支持。另外,将电子元器件推向分子尺度是提升芯片集成度、运行速度以及能耗等性能的重要途径。当前已报道的分子阻变器件往往基于分子自身分立的电子态转变或与分子与电极的耦合,该类器件难以满足神经形态计算中突触元器件的要求。
在金属纳米颗粒神经形态器件工作的基础上,研究人员将活性金属与液态金属作为电极对,以自组装寡肽单分子层作为传输层,构建了一类电导连续可调的分子神经形态器件。在电场的作用下,银离子从银/氧化银电极中注入单分子层并与寡肽分子中的功能基团络合,理论计算表明这些络合位点有利于电子的跳跃传输,从而实现器件电导的连续、可逆调制,并以此分子突触器件为基础,模拟了一系列典型的长时与短时突触行为。同时,基于其非线性与短时突触特征,该分子器件被用于构建储备池计算系统,实现了简单波形的准确识别。相关研究成果以An artificial synapse based on molecular junctions为题发表在Nat. Commun.上。