陈彧教授团队利用聚合物忆阻器实现多值信息存储与处理功能的集成

shaoshi

近日国际重要期刊《Nature Communications》在线发表我校化学与分子工程学院陈彧教授课题组在高分子忆阻器技术领域取得的突破性进展（论文题目：Redox-gated polymer memristive processing-memory unit；Nature Commun. 2019, 10: 736(pages1-11); 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08642-y）。华东理工大学为第一通讯单位，张斌副教授为第一作者，我校二级教授陈彧老师为该论文第一单位通讯作者。该工作获得了国家自然科学基金重点基金，面上及青年基金，教育部重大项目、中央高校基本业务费，上海市浦江人才计划以及晨光计划的资助。

忆阻器（Memristor）是一种具有电阻的结构（电极/介质/电极）和量纲（欧姆）的新型纳米电子器件。当在忆阻器两端施加的电压超过一定数值时，器件电阻可以发生两态、多态甚至连续的可逆变化，从而实现单值甚至多值的信息存储。更为重要的是，利用忆阻器执行可重构的非易失性算数与逻辑操作，在单一器件中原位实现信息存储与运算的融合，更有望突破长久以来限制计算机实际运行速度的冯·诺依曼瓶颈，这对于简化计算机架构并提高其运算性能具有重要的意义。而与传统的无机半导体材料相比，有机聚合物具有优异的机械柔韧性和延展性，并且可以通过印刷和喷墨打印等溶液加工方式实现低成本集成，在面向边缘计算的柔性芯片中具有得天独厚的优势（Yu Chen* et al., Materials Horizons 2014, 1: 489-506，Engineered Science 2018, 4:4-43；Chem. Soc. Rev. 2012, 41: 4688–4707)。陈彧课题组通过Suzuki偶联反应和“点击化学”合成了侧链含三苯胺和二茂铁基团两个氧化还原体系的新型聚芴功能材料（简称为PFTPA-Fc，图1），利用其固态三重氧化还原忆阻行为制备了柔性忆阻器原型器件。电学性能测试表明该器件在低电压下分别呈现8态/3值存储特性和连续的模拟忆阻行为，并可在高电压下实现两种特性的自由切换；而原位荧光光谱与二维成像测试则证实PFTPA-Fc在高、低电压下的忆阻行为分别来自三苯胺和二茂铁基团的可逆固态电化学氧化还原反应。利用该器件的模拟忆阻行为不仅能够执行十进制四则算术运算，还可以完成基本的二元布尔逻辑操作，从而在单一聚合物忆阻器中实现多值信息存储与处理功能的集成，为发展高性能、低功耗的存算一体器件与芯片提供了新的材料体系和理论基础。

图1. PFTPA-Fc 分子结构和运算示意图