背景介绍
自2008年惠普实验室首次展示固态忆阻器以来，基于相变、氧化还原反应、铁电畴翻转等机理的多种具有记忆效应的器件不断涌现。然而，纳米流体忆阻器凭借其内部利于离子输运的液态环境，更加贴近生物突触的工作机制，逐渐成为研究人员探索的新方向。目前，人们提出了基于不同机理的纳米流体忆阻器，如界面移动、维恩效应、离子吸附与解吸附等。这些纳米流体忆阻器在理论和应用上展现出巨大潜力，但仍面临一些挑战和问题，如能耗大、可靠性差、重复性低等。因此，开发一种低能耗、性能稳定并且重复性好的纳米流体忆阻器具有重要意义。
成果简介
本文报道了一种由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和玻璃基底制备成的新型纳米流体忆阻器。在该器件中，KCl溶液经过多条不对称的纳米通道，由于钾离子在纳米通道表面的富集或耗尽，其I-V曲线表现出了典型的双极性忆阻效应，并且循环次数超过了100次。本文系统地探讨了电压扫描速率、溶液浓度和表面电荷密度等因素对纳米通道中离子输运的影响。结果表明，I-V滞回曲线的离子电流整流比（ICR ratio）随电压扫描速率和溶液浓度的增大而下降。通过zeta电位测量发现，在 pH 值较高的溶液中，PDMS表面的负电荷密度显著增加，从而增强了忆阻效应和ICR效应。此外，该器件成功模拟了突触的短期可塑性，如成对脉冲易化（PPF）和成对脉冲抑制（PPD），且实现了较低的能耗（每个通道12 pJ/脉冲）。本研究展示的纳米流体忆阻器易于制备、可靠性好，在神经形态计算领域具有广泛的应用前景。
图文导读
图1 PDMS-玻璃纳米流体芯片。（a）生物突触示意图。PDMS-玻璃纳米流体芯片的（b）示意图和（c）俯视图。通过基于裂纹的无光刻法在PDMS表面制备的纳米通道的（d）示意图和（e）扫描电子显微镜（SEM）图像。
图2 纳米流体忆阻器的电流-电压（I-V）曲线。（a）器件在分别使用1 mM KCl溶液和去离子水时测得的I-V曲线。蓝色箭头指示电压扫描方向。电压扫描速率为0.07 V/s。（b）器件在使用1 mM KCl溶液时对应的电导-电压（G-V）曲线。（c）器件在使用1mM KCl溶液时测得的100次I-V循环扫描曲线。（d）由（c）中循环扫描曲线得到的开/关状态的高/低电导及开关比。
图3 忆阻机制及表面电荷的影响。（a-b）在非对称带电纳米通道中，离子富集和耗尽导致高电导和低电导。虚线表示KCl溶液的体溶液浓度。（c）PSS处理、PSS-UVO处理和UVO处理的PDMS表面的zeta电位随溶液pH值的变化曲线。（d）使用PSS改性的PDMS制备的器件在使用不同pH值的1 mM KCl溶液时测得的I-V曲线。插图展示了三个不同pH值下I-V曲线的滞回面积。
图4电压扫描速率和溶液浓度对ICR效应的影响。（a）器件在不同电压扫描速率下，使用1 mM KCl溶液测得的I-V曲线。（b）在±3 V时的电流绝对值和ICR比率随扫描速率的变化图。（c-d）不同扫描速率下纳米通道中离子重新分布的示意图。（e）在0.07 V/s的电压扫描速率下，器件使用不同浓度的KCl溶液测得的I-V曲线。（f）在±3 V时的电流绝对值和ICR比率随KCl溶液浓度的变化图。（g-h）不同溶液浓度下纳米通道中离子重新分布的示意图。
图5 纳米流体忆阻器模拟的短期突触可塑性。（a）成对脉冲易化（PPF）和成对脉冲抑制（PPD）。连续的正（负）脉冲（V = ±6 V，tp = 4 ms，Δt = 0）导致电导增加（减少）。（b-c）在连续30个电压脉冲下的电流响应（V = ±5 V，tp = 4 ms，Δt = 0）。（d）在负电压脉冲（V = -6 V，tp = 4 ms）下的电流变化（ΔI）与成对脉冲间隔（Δt）的关系图。（e）在30个电压脉冲下，三角波电压峰值处的电流随不同脉冲幅度的变化（tp = 4 ms，Δt = 0）。（f）在不同脉冲宽度下，10个负脉冲（V = -6 V，Δt = 0）下的电导演变。
作者简介
俞叶峰，博士，南京理工大学微电子学院教授、博士生导师。本科和硕士毕业于武汉大学物理科学与技术学院，博士毕业于法国巴黎东大学。2011年至2018年在新加坡科技发展局数据存储研究（ASTAR-DSI）从事研究工作。2018年入职南京理工大学电子工程与光电技术学院，2023年加入微电子学院。主持了国家高层次海外人才项目、江苏省基础研究重点项目、江苏省人才项目等。主要研究领域为超构表面器件与应用、微纳光电子器件与应用、太赫兹器件与系统等。相关研究成果在Nature Communication、Nano Letters等顶级期刊上发表论文30余篇。
文章信息
Sun W, Xiao Y, Yan P, et al. Observation of memristive behavior in PDMS-glass nanofluidic chip. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907098.
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