客户成果丨厦门大学《Mater Today》：基于二维硫化铼忆阻器的等离子体介导极性调制，用于实现兼具稳定性-可塑性协同效应的仿生级联忆阻架构

厦门大学物理系的吴雅苹教授课题组在忆阻器领域研究中取得最新进展，该研究成果以“Plasma-mediated polarity modulation in 2D ReS2 memristors for bio-inspired cascaded memristive architecture with stability-plasticity synergy”为题发表在《Materials Today》上。

在人工智能领域，冯・诺依曼架构的固有局限推动了基于忆阻器的神经形态计算平台发展，二维（2D）忆阻器因低功耗、高灵活性等优势成为研究热点。然而，2D忆阻器存在随机开关行为与时空不均匀性，制约了级联器件开发，且单极、双极忆阻器的协同应用仍是未探索领域。

本研究创新性地提出等离子体介导的极性调控策略，实现了双极-单极ReS2忆阻器的仿生级联架构。通过H2等离子体处理，器件展现出优异的整体性能与阵列级可扩展性，揭示了空位浓度依赖的极性调控机制，将原子尺度空位与宏观功能关联。级联架构实现了电压可编程的4种电阻状态（2 位）操作，融合快速突触适应与持久记忆巩固功能。在人工神经网络（ANN）中应用时，该系统分类准确率达98.4%，可与32位基准系统媲美，同时将存储需求压缩16倍，为兼具生物保真度与工业可扩展性的类脑计算系统发展奠定基础。

图1 两端ReS2忆阻器阵列的性能及等离子体处理工艺。（a）SiO2/Si衬底上连续ReS2单层的光学图像。（b）在ReS2单层上制备的横向忆阻器阵列的光学图像。（c）包含重叠晶界的原始ReS2单层的扫描透射电子显微镜图像。右上角插图为对应的选区电子衍射图案，右下角插图为ReS2晶格的放大图像，图中标注了两个主要晶轴。（d）、（e）、（f）分别展示了两端ReS2器件阵列的三种电学行为情况：非忆阻行为、双极性忆阻行为、单极性忆阻行为。（g）等离子体处理工艺的示意图。

扫描透射电子显微镜表征揭示原始ReS2存在重叠晶界与晶格缺陷，这直接导致阵列中器件出现非忆阻、双极忆阻、单极忆阻三种随机电学行为，严重制约大规模集成。为此提出等离子体处理工艺，后续通过调控等离子体气体类型与参数实现忆阻极性精确控制，从而改善2D忆阻器性能存在器件间、周期间重复性差的问题。

图2 等离子体气体类型与剂量对忆阻性能的调控。在3 W功率、3 s处理时间的氧等离子体作用下，忆阻器伏安特性曲线的循环耐久性测试：（a）电极制备后处理；（b）电极制备前处理。在3 W功率的氢等离子体、电极制备前处理条件下，忆阻器伏安特性曲线的循环耐久性测试：（c）处理时间6 s；（d）处理时间9 s。（e-g）分别为氧等离子体处理的单极忆阻器的电阻状态保持时间，开关比分布，开启电压分布。（h-j）分别为氢等离子体处理的单极忆阻器的电阻状态保持时间，开关比分布，开启电压分布。

在电极制备前进行氧等离子体（3 W、3 s）处理的器件虽能实现超100次循环的单极性开关行为，但存在低阻态不稳定问题。对比之下，氢等离子体（3 W）处理的器件性能表现更优：6 s处理对应双极特性（仅19次循环开关），9 s处理则实现超200次稳定单极循环操作，且电阻状态保持时间超105 s、开关比达106、开启电压低至0.5 V，多项性能指标优于氧等离子体处理或者未处理的器件，证明氢等离子体是优化忆阻性能的最优选择。

表1 不同气体类型等离子体处理的忆阻器性能对比

图3 用于多态突触模拟与量化神经网络实现的级联忆阻器架构。（a）集成单极性与双极性忆阻器的级联架构示意图。（b）对应双极性脉冲编程与单极性权重调制的数字编码方案。（c）不同编程条件下的逻辑电阻状态输出（每种状态保持100秒）。（d）不同量化模型（1位、2位、32位）在训练过程中的准确率与损失值变化曲线。（e）在MNIST数据集上对比不同模型分类能力的混淆矩阵（矩阵中的数值代表样本正确分类与错误分类的百分比）。（f）采用不同量化精度处理前后的图像。

借鉴大脑海马体-新皮层协作模式，我们构建了单极-双极忆阻器级联架构，前端双极器件实现突触权重动态调整（高可塑性），后端单极器件实现信息稳定存储（高稳定性），可实现4种电阻状态（2位编码）。在量化神经网络中，2位级联架构对MNIST手写数据集的识别准确率达98.4%，仅比32位基准系统低 0.1%，但存储需求压缩了16倍，成功在计算保真度与硬件效率间实现平衡，为类脑计算芯片开发提供了可行方案。

该工作中通过使用TuoTuo Technology的紫外无掩模光刻机UV Litho-ACA完成了器件制备过程中的电极图案设计。

厦门大学物理系博士生程安琪为文章的第一作者，李煦副教授、吴志明教授和吴雅苹教授为论文的共同通讯作者。该工作还受到了国家自然科学基金、厦门市自然科学基金及中央高校基础科研业务费专项资金的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.08.031