郑州大学孙晴晴副研究员团队!Nano Letters丨基于有机半导体/铁电聚合物的自整流忆阻器及其在类脑计算中的应用

大家好，今天为大家分享一篇2026年5月18日发表在Nano Letters的文献，题目为"Interfacial Conductive Pathway Enabled Self-Rectifying Ferroelectric Memristor for Neuromorphic Applications"。本文的第一作者是Junxin Cheng, Yu Yan和Xiangyuan Li，通讯作者是Qingqing Sun。

摘要

在单个两端器件中集成非易失性电阻开关（RS）和整流功能对于抑制高密度交叉阵列中的漏电流至关重要，然而在低工作电压（<3 V）下实现这种双重功能仍然具有挑战性。本文中，研究人员通过将铁电聚合物P(VDF-TrFE)与小分子半导体C8-BTBT共混，制造出一种自整流忆阻器。C8-BTBT的高结晶度和载流子迁移率实现了高效的电荷注入，从而获得了较低的SET电压（<2V）和高的开关比（>10⁵）。导电原子力显微镜（CAFM）直接观察到位于C8-BTBT/P(VDF-TrFE)异质结处的界面导电通路，证实了器件的电阻开关机制由铁电极化调制的肖特基势垒主导。此外，该自整流忆阻器成功模拟了关键的生物突触功能，如双脉冲易化、脉冲速率依赖可塑性、脉冲数量依赖可塑性以及脉冲时间依赖可塑性。因此，这项工作为实现高能效的神经形态硬件提供了一种材料层面的策略。

器件结构与材料表征

为了构筑高性能的自整流忆阻器，研究团队设计了一种基于铁电聚合物P(VDF-TrFE)和小分子半导体C8-BTBT共混薄膜的器件结构。

图1. (a) Ag/P(VDF-TrFE):C8-BTBT/Si器件的示意图。(b) 共混薄膜的AFM形貌图。(c) 不同位置的红外光谱。(d) 共混薄膜在1462 cm⁻¹吸收峰的红外成像。(e) 共混薄膜在1288 cm⁻¹吸收峰的红外成像。(f) 选择性刻蚀后共混薄膜的形貌图。(g) 对应于(f)中紫红色虚线的高度剖面及其倒置的3D映射图。

图1a展示了器件的结构示意图，其中活性层为P(VDF-TrFE)与C8-BTBT的共混薄膜。通过光热原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）技术，研究人员对薄膜的相分离行为和化学成分分布进行了分析（图1b-e）。结果显示，C8-BTBT形成了独立的结晶区域，而具有铁电性的β相P(VDF-TrFE)主要围绕在C8-BTBT区域周围，暗示了两者在结晶过程中的相互作用。为了探究C8-BTBT在薄膜中的垂直分布，研究人员使用氯仿选择性地溶解C8-BTBT，刻蚀后的形貌（图1f, g）清晰地显示出从顶部延伸至底部的空腔，证实了C8-BTBT在P(VDF-TrFE)基质中形成了贯穿薄膜的垂直连续通路。

器件电学性能评估

研究人员对制备的忆阻器进行了详细的电学性能测试，包括其稳定性、均匀性和开关特性。

图2. (a) 存储器件的三维示意图。(b) 器件的SEM截面图。(c) 器件的循环稳定性。(d) 单个器件的保持时间。(e) 器件间的稳定性表征。(f) 25个不同器件的SET电压分布。(g) 100个器件的高/低阻态电阻累积概率。(h) 在-2, 1, 和 2.5 V不同脉冲电压下测量的器件开关比。(i) 该铁电器件与已报道的不同有机半导体复合器件的电学性能比较。

器件表现出优异的性能。在50次循环测试中，器件展现出良好的整流特性和稳定性（图2c）。其高阻态（HRS）和低阻态（LRS）在10⁵秒的时间内没有明显衰减，显示出优异的数据保持能力（图2d）。对多个器件的统计分析表明，器件具有良好的一致性，SET电压集中在1.25-1.75 V之间（图2e, f），开关比可达10⁵。与以往基于大分子半导体的同类器件相比，本工作采用的小分子C8-BTBT因其高载流子迁移率，使得器件在工作电压和开关比方面均表现出显著优势（图2i）。

柔性器件及其性能

为了探索其在可穿戴电子设备中的应用潜力，研究团队还在柔性衬底上制备了器件。

图3. (a) Ag/P(VDF-TrFE):C8-BTBT/ITO/PEN柔性器件的三维示意图。(b) 器件的实物图。(c) 单个器件50次循环的I-V曲线。(d) 在+1V读取电压下，预加+3V（浅色区域）和-2V（深色区域）电压后25个器件的电流分布。(e) 保持时间。(f) 不同弯曲次数下的I-V曲线。(g) 不同弯曲次数下的开/关态电流和分布，内图为在电动位移平台上的柔性器件（曲率半径为7 mm）。

如图3所示，柔性器件在50次循环操作后仍保持了优良的整流特性（图3c），开关比稳定在10⁴以上（图3e）。尤为重要的是，在7mm的弯曲半径下，器件经过10,000次弯曲循环后，其电学性能仅有轻微衰减，开关比仍高于10⁴（图3f, g），证明了该器件具有出色的机械柔韧性和耐久性。

电阻开关机制探索

为了揭示器件的工作原理，研究人员采用导电原子力显微镜（CAFM）在纳米尺度上对其导电机制进行了深入研究。

图4. (a) 对P(VDF-TrFE):C8-BTBT/Si样品进行CAFM测试的示意图。(b) AFM表征的表面形貌。(c) 对应于(b)的由CAFM表征的原位电流图。(d) 对应于P1区域的原位I-V曲线。(e) 对应于P2和P3区域的原位I-V曲线。(f) P1区域50次循环的原位I-V曲线。(g) 器件的截面示意图，揭示了一个横向相分离的异质结构。(h) 电阻开关过程中P(VDF-TrFE)/C8-BTBT界面能带对准的演变。(i) C8-BTBT与P(VDF-TrFE)界面的电荷分布分析。

CAFM的电流成像（图4c）清晰地显示，导电通道仅仅局域在C8-BTBT半导体与P(VDF-TrFE)聚合物的界面区域。通过在不同位置进行原位I-V测试，研究人员发现，只有在界面区域（P1）才观察到明显的、可重复的电阻开关行为（图4d, f），而在纯C8-BTBT（P3）或纯P(VDF-TrFE)（P2）区域则没有开关现象（图4e）。这一结果直接证明了界面是器件实现电阻开关功能的关键。其工作机制可解释为（图4g, h）：P(VDF-TrFE)的铁电极化状态会调制其与C8-BTBT界面处的肖特基势垒高度，从而控制电荷的注入和传输，实现高低阻态的切换。

生物突触功能模拟

该忆阻器的模拟特性使其非常适合用于模拟生物神经系统中的突触。

图5. (a) 生物突触信号传输过程示意图。(b) 10次循环从0到1V的I-V曲线。(c) 双脉冲易化指数随电脉冲间隔时间Δt的函数；拟合曲线显示PPF随Δt的增加呈指数下降。插图：脉冲间隔时间增加的脉冲电压设置。(d) 0.7V刺激下的10个脉冲易化。(e) 0.8V刺激下的10个脉冲易化。(f) 1.0V刺激下的10个脉冲易化。(g) 根据5, 10, 15和20个脉冲数的SNDP。(h) 上曲线：施加在两个电极上的脉冲曲线。下曲线：脉冲间隔为Δt的电流-时间曲线。(i) STDP及拟合曲线。

研究团队利用该器件成功模拟了多种关键的突触可塑性行为。如图5所示，器件的电导可以被连续的电压脉冲所调制，类似于生物突触权重的变化（图5b）。器件成功演示了双脉冲易化（PPF，图5c）、脉冲速率依赖可塑性（SRDP）、脉冲数量依赖可塑性（SNDP，图5g）以及脉冲时间依赖可塑性（STDP，图5i）等。其中，STDP是赫布学习法则的基础，是实现联想学习等高级脑功能的关键。这些结果表明，该器件能够有效地模仿生物突触的学习和记忆功能，并且单个脉冲事件的能耗约为0.452 pJ，具有高能效的特点。

总结与展望

本文的主要创新点包括：

1. 1. 创新的材料体系：首次将高迁移率小分子半导体C8-BTBT与铁电聚合物P(VDF-TrFE)共混，成功构筑了高性能的自整流铁电忆阻器，克服了传统聚合物半导体性能不足的局限。
2. 2. 优异的器件性能：实现了低工作电压（<2V）、高开关比（>10⁵）、快速开关（30 ns）和高可靠性的优异综合性能，并成功应用于柔性电子器件，展现出卓越的机械耐久性。
3. 3. 清晰的物理机制：通过导电原子力显微镜（CAFM）等先进表征手段，直接在纳米尺度上揭示了器件的电阻开关来源于半导体/铁电聚合物界面的导电通路，其开关行为由铁电极化调控的界面肖特基势垒主导。
4. 4. 强大的神经形态模拟能力：器件成功模拟了多种关键的生物突触可塑性，如PPF和STDP等，并基于其特性构建的卷积神经网络在手写数字识别任务中取得了94%的准确率，证明了其在构建高能效类脑计算系统中的巨大潜力。

未来的研究方向与改进：

1. 1. 材料体系的拓展与优化：可以进一步探索其他类型的小分子半导体和铁电材料组合，系统研究其结构与性能的关系，以期获得更优异的器件性能，如更高的开关比、更低的能耗和更好的热稳定性。
2. 2. 器件集成与规模化：当前工作主要集中在单个器件和小型阵列上。未来的研究需要关注如何将此类器件大规模集成到高密度的交叉阵列中，并解决大面积制备的均匀性、成品率以及阵列中的漏电流等关键工程问题。
3. 3. 面向复杂任务的算法与系统验证：尽管已经初步验证了其在神经网络中的应用，但未来需要将这种新型忆阻器硬件与更复杂的神经形态算法（如脉冲神经网络）相结合，在更具挑战性的识别和决策任务中检验其系统级的性能优势。