【研究背景】
在物联网（IoT）时代，将数据存储和处理集成在一个单元中的神经启发式神经形态器件，有望满足边缘计算硬件本地处理海量实时数据的需求。作为典型的非易失性存储器（NVM）器件，忆阻器是基于形成导电通道的原理工作的。通过调控离子或缺陷的迁移动力学（如离子源的定位和导电通路的控制），可以实现多级电阻状态的可重复切换，从而进行存储计算。忆阻器最初在几十年前被提出，随着人工智能（AI）的指数级发展，近年来取得了实质性进展。忆阻器具有高存储密度和低功耗等优势，使其非常适合作为AI芯片的基本构建模块，从而简化智能应用的边缘计算硬件。然而，目前最先进的忆阻器都是在交叉阵列结构中垂直集成的双端器件，这种结构约束极大地限制了在复杂边缘计算场景中处理时空信息的硬件实现，并严重阻碍了AI的发展。
方向处理作为边缘计算场景中的重要任务，涉及复杂的空间重构数据，这无法通过缺乏方向选择性能力的传统忆阻器来实现。与垂直忆阻器相比，平面器件为结构创新提供了额外的自由度，多功能单片集成可以大大促进神经形态硬件处理方向相关的复杂数据的实现。
低维范德华（vdW）晶体被认为是制造平面忆阻器的理想候选材料，其层间间隙为离子迁移或导电丝形成提供了高度受限的空间，从而实现用于神经形态计算的稳健电阻开关（RS）特性。利用低对称性vdW晶体中绝热能垒的差异性可以在紧凑的忆阻器中实现电导的各向异性调制。准一维范德华晶体，特别是过渡金属三硫族化合物（如TaSe3和TiS3），是一类具有本征各向异性的材料。原子在一个方向上通过共价键形成一维棱形链，然后平行排列成单斜晶胞。这种独特的准一维范德华特性有望为空位或离子提供优先的迁移路径，从而实现导电丝的定向控制和生长。
【成果介绍】
鉴于此，哈尔滨工业大学（深圳）的秦敬凯教授，徐成彦教授和南方科技大学的周菲迟副教授团队合作发表了题为“Orientation-Selective Memory Switching in Quasi-1D NbSe3 Neuromorphic Device for Omnibearing Motion Detection”的工作在Advanced Materials期刊上。该工作重新引入了三硒化二铌（NbSe3）晶体，这是一种典型的电荷密度波（CDW）材料，在锂化的辅助下作为平面忆阻器的电阻开关通道。与传统的电阻开关材料不同，NbSe3表现出优异的锂化晶体稳定性。通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了其工作机理。此外，该工作成功地利用各向异性电导调制实现了方向选择性处理，并将其应用于自动驾驶场景中的神经形态全方位运动识别。
【图文导读】
图 1. 基于锂化NbSe3纳米片的材料表征和器件制备。a) 锂化NbSe3的晶体结构。b) NbSe3晶体的高角环形暗场-扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像。c) 锂化NbSe3纳米片的偏振拉曼光谱。d) 1064 nm光激发下锂化NbSe3纳米片的二次谐波（SHG）光谱。e) 沿b轴和c轴的锂离子迁移相关的计算迁移能。f) 基于NbSe3晶体的多端忆阻器中的取向选择性记忆开关。
图 2. 沿一维原子链图案化忆阻器的电阻开关行为。 a) 平面忆阻器的循环I-V曲线。b) 对应于I-V曲线的置位和复位电压的统计分布。c) 多个操作周期中不同操作状态的统计分析。d) 电阻态的循环稳定性。e) 不同沟道长度忆阻器的Vset和Vreset的统计分析。f) 与文献的工作电压和标准偏差比较。 g-i) C-AFM测试的实验设置及高阻态（HRS）和低阻态（LRS）的相应地形图
图 3. 多端锂化NbSe3忆阻器的各向异性电阻开关特性。a) 多端忆阻器的假彩色扫描电子显微镜（SEM）图像。b) 多端忆阻器的I-V曲线。c) 器件的置位和复位电压的统计分析。d) θ为0°、45°和90°的忆阻器的高阻态（HRS）和低阻态（LRS）的电阻开关特性。e) 多端忆阻器对连续电压输入的电流调制响应。f) 突触权重的电调控增强和抑制。g) 多端器件的电阻态保持特性。
图 4. 基于忆阻器集成边缘计算硬件实现的人工神经网络运动方向识别。a) 基本功能单元的示意图。b) 功能单元的电路图。c) 前照灯在0°配置下通过单元时的总电流。 d) 具有自动驾驶场景全方位运动识别能力的边缘计算硬件示意图。e) 同一锂化NbSe3纳米片上图案化的三个多端忆阻器的光学显微镜图像。 f) 陶瓷四方扁平无引脚（CQFN）载体的照片。g) 集成光电探测器、信号处理电路和忆阻器阵列的定制PCB详图。 h) 前照灯以θ = 15°通过集成模块时的示意图。i) 用于运动方向识别的神经网络示意图。j) 识别准确率随训练轮数的演变。k) 识别方向与正确运动方向之间的混淆矩阵。
【总结展望】
总之，本工作表明锂化NbSe3晶体是作为电阻开关存储器应用的潜在优质材料。得益于NbSe3晶体独特的一维范德瓦尔斯特性所决定的导电丝定向形成，沿原子链方向制备的器件表现出优异的存储行为，具有低工作电压和低变异性，位居目前报道的最先进忆阻器件的前列。此外，沿不同晶轴的不同原子扩散能垒，在紧凑集成多个端子的平面忆阻器中贡献了巨大的电导调制各向异性，这在传统的电阻开关材料中很难实现。前端各向异性忆阻器的方向选择性处理进一步实现了基于人工神经网络的后端全方位运动方向识别，在自动驾驶场景中达到高达95.9%的识别准确率。各向异性忆阻器的单片集成极大地促进了视觉信号识别的硬件实现，为加速开发面向复杂应用场景的神经形态芯片提供了一条潜在路径。
【文献信息】
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