郑州大学张丽教授、惠飞副研究员&新加坡国立大学Mario Lanza教授AFM:基于Cs₃Bi₂Br₉/MoS₂忆阻器的界面工程用于自整流与痛觉感受器
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随着传统计算架构面临能耗与性能瓶颈，神经形态计算成为重要发展方向。忆阻器因其结构简单、低功耗、CMOS兼容性等优势备受关注。金属卤化物钙钛矿在忆阻器中展现出优异的离子迁移和载流子输运能力，但传统铅基钙钛矿存在毒性与稳定性问题。无铅 Cs₃Bi₂Br₉ 虽具潜力，但其多晶薄膜存在晶界多、缺陷密度高等问题，严重制约器件性能。为此，本文引入 MoS₂ 作为界面层，通过范德华外延生长调控钙钛矿结晶质量与缺陷状态，实现了高性能、低功耗、自整流的忆阻器，并成功模拟生物痛觉感受器功能。
郑州大学张丽教授、惠飞副研究员&新加坡国立大学Mario Lanza教授等人报道了通过二硫化钼（MoS₂）界面工程实现的无铅Cs₃Bi₂Br₉钙钛矿忆阻器。MoS₂作为生长模板，有效诱导形成结晶度更高、界面质量更优、缺陷更少的钙钛矿薄膜。所构建的Au/Ag/Cs₃Bi₂Br₉/MoS₂/ITO忆阻器实现了典型的自整流行为，具有约0.14 V的超低开启电压、140 nW的低开启功耗和300 pJ的低能耗。同时，该器件表现出优异的循环稳定性和低器件间变异系数（CV < 6.37%）。实验与理论拟合揭示，其阻变机制由Ag⁺辅助的陷阱控制电子输运主导，而增强的内建电场赋予器件显著的自整流特性，从而有效抑制交叉阵列中的漏电流。该器件成功模拟了生物痛觉感受器的关键行为，包括阈值响应、适应性和痛觉过敏。本研究展示了界面工程在结晶度和缺陷状态协同优化中的作用，为无铅钙钛矿忆阻器在仿生神经形态感知系统中的应用提供了新思路。该文章以“Interfacial Engineering of Cs3Bi2Br9/MoS2 Heterostructure-based Memristors for Self-rectifying and Nociceptor Applications”为题发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。
图1-Cs₃Bi₂Br₉（CBB）在ITO和MoS₂衬底上的结晶行为差异：ITO表面存在强相互作用位点（如氧空位和羟基），导致CBB快速异质成核，形成小晶粒、多缺陷、存在针孔的薄膜。而MoS₂表面具有原子级平整、无悬挂键的范德华表面，能够诱导CBB进行范德华外延生长，形成大晶粒、低缺陷密度的高质量薄膜。HRTEM图像进一步证实了CBB/MoS₂异质界面清晰、无缺陷。此外，AFM、XRD等表征手段也验证了MoS₂对CBB结晶质量的显著提升。MoS₂不仅是惰性衬底，更是“晶体质量调节器”，其范德华表面为钙钛矿提供了理想的生长平台，从源头上抑制了缺陷形成。
图2-通过DFT计算、UV-vis、PL和SCLC等手段分析了MoS₂对CBB缺陷态的调控：DFT显示，CBB/MoS₂体系中VBr（溴空位）形成能显著升高（1.68 eV），且缺陷态由深能级向浅能级转变，表现出“陷阱浅化”效应。PL 光谱中，CBB/MoS₂的发光强度增强，缺陷相关的肩峰减弱，TRPL显示载流子寿命延长（2.87 ns vs 2.52 ns）。SCLC测试进一步量化陷阱密度，从7.1×10¹⁵ cm⁻³降至4.4×10¹⁵ cm⁻³，降低了约38%。
MoS₂不仅减少了缺陷数量，更“钝化”了缺陷的电子活性，实现了从“深能级陷阱”到“浅能级辅助态”的关键转变。
图3-Au/Ag/CBB/MoS₂/ITO器件的电学性能：DC扫描显示典型的自整流双极阻变行为，开启电压约0.16 V，整流比高达5×10⁴。100个器件的统计结果显示CV < 6.37%，均匀性优异。脉冲测试中，器件在10⁴次循环后仍保持>10⁴的开关比。通过调节限流，最低开启电压可降至0.14 V，功耗低至140 nW。交叉阵列测试中，96个选中单元成功写入，未选中单元无明显串扰，展示了良好的抗串扰能力。
该器件在低功耗、高均匀性、抗串扰方面表现卓越，为高密度交叉阵列集成提供了切实可行的硬件基础。
图4-器件的能带结构与阻变机制：UPS和UV-vis联合构建了Type-II型能带对齐，MoS₂与CBB界面形成内建电场，方向由MoS₂指向CBB。正向偏压下，界面势垒降低，电子注入增强，器件开启；反向偏压下，势垒升高，电流被抑制，实现自整流。I-V拟合显示，正向偏压下载流子输运由Ohmic到SCLC转变，反向偏压则表现为陷阱逐步释放。温度依赖性测试表明低激活能（0.044–0.049 eV），排除了金属导电丝机制。
该器件的工作机制是非丝状的陷阱控制电子输运，Ag⁺辅助但未形成连续金属通道，确保了低功耗与高可靠性。
图5-器件在神经形态计算与痛觉模拟方面的应用：器件表现出典型的阈值响应（≥0.4 V 激活）、多脉冲短期可塑性（STP/STD）、STDP学习规则等突触特性。其成功模拟了痛觉感受器的三大特征：非适应性（持续刺激下电流稳定）、痛觉过敏与异常性疼痛（预刺激后阈值降低、响应增强）、以及疼痛恢复（随时间恢复至初始状态）。最后，器件与商用压力传感器集成，实现了对外界机械刺激的感知与“受伤”状态下的敏感性增强。
该器件不仅是存储器，更是“会痛的电子皮肤”，在单一平台上实现了突触可塑性与痛觉感知的高度融合。
【文献总结】
该研究通过引入MoS₂作为界面模板，成功实现了无铅钙钛矿Cs₃Bi₂Br₉忆阻器的高结晶度、低缺陷密度和高界面质量。MoS₂的范德华表面不仅促进了钙钛矿的大晶粒生长，还通过“陷阱浅化”效应显著降低了深能级缺陷密度，提升了器件稳定性与均匀性。所制备的Au/Ag/CBB/MoS₂/ITO忆阻器展现出极低的开启电压（0.14 V）、超低功耗（140 nW）、高整流比（>10⁴）和优异的循环稳定性（>10⁴ 次）。该器件成功模拟了生物痛觉感受器的多种关键行为，包括阈值响应、非适应性、痛觉过敏与恢复过程，并与压力传感器集成实现了对外界刺激的智能感知。本研究为无铅钙钛矿在神经形态感知系统中的应用提供了可行路径，展示了界面工程在材料与器件协同优化中的核心作用。
文章信息：Yuan Yu, Yuhang Yang, Yujia Tian, et al. Interfacial Engineering of Cs3Bi2Br9/MoS2 Heterostructure-based Memristors for Self-rectifying and Nociceptor Applications
https://doi.org/10.1002/adfm.202532198
