基于电双稳态纳米结构金属膜的多态可重构多电极器件研究

《Advanced Electronic Materials》：A Polymorphic Reconfigurable Multi-Electrode Device Based on Electrically Bistable Nanostructured Metallic Films

本文报道了一种基于自组装金纳米结构薄膜的多态可重构多电极器件，通过电双稳态和电阻开关特性，实现了非传统计算架构的创新。研究展示了该器件在特定输入刺激下，纳米结构网络的自适应重构特性驱动设备可重编程能力，可同时作为非传统多路复用器（MUX）和可重构阈值逻辑门（TLG），生成完整的布尔函数集，为突破冯·诺依曼架构瓶颈、开发低功耗、自适应硬件提供了新思路。

　　

1 引言

从20世纪中叶开始，传统计算机被视为通用技术，CMOS晶体管和摩尔定律推动了前所未有的技术成就。然而，基于冯·诺依曼架构的通用计算系统存在CPU与存储单元间持续耗能的通信瓶颈。随着硬件微型化投资增加和AI算力需求激增，开发新硬件策略以降低计算负载变得不可避免。生物系统（如哺乳动物大脑）的数据处理依赖于网络的自适应功能连接，而非确定性布线。非常规计算受生物模型启发，旨在寻找替代冯·诺依曼架构的低功耗硬件平台。其中，基于纳米颗粒和纳米线的自组装系统（如超音速簇束沉积（SCBD）制备的金簇组装薄膜）具有复杂网络连接性、非线性电行为和功能可塑性，展现出电阻开关特性，可用于神经形态计算设备。

2 材料与方法

2.1 纳米结构器件制备

采用SCBD装置制备基于纳米结构金薄膜的多电极器件。通过脉冲微等离子体簇源产生气相金簇，沉积在预先制备电极的玻璃基板上。电极由金层覆盖铝层构成，退火后通过掩模沉积纳米结构金薄膜桥接电极间隙。薄膜厚度约15纳米，初始电阻R₀在100 Ω至1 kΩ之间。多电极器件包含六个均匀间隔的电极，连接方形纳米结构薄膜。

2.2 电学和形态学表征

使用源测量单元进行电学测试，包括恒定电压测量和I-V曲线扫描。通过写入脉冲（最高±20 V）和读取脉冲（±0.5 V）控制器件电阻状态切换。多电极器件中，通过Arduino板远程切换电极对，表征网络响应。扫描电子显微镜用于观察薄膜形态变化。

3 结果与讨论

3.1 介观尺度形态网络重组

沉积后的纳米结构金薄膜在形成过程后出现电阻开关现象。形成过程中，焦耳加热和电形成导致薄膜中心区域形成垂直于电流方向的凹槽，显著改变形态。X射线衍射显示形成后晶粒尺寸增大，堆垛缺陷减少。尽管存在凹槽，电极间仍保持导电性。

3.2 电导双稳态机制

器件在低电阻（ON态，约10³–10⁴Ω）和高电阻（OFF态，约10⁷–10⁹Ω）间切换，电阻比达10³。ON态表现为欧姆导电，OFF态呈非线性，符合Poole-Frenkel传导机制。开关活动具有随机性，间隔时间分布显示短暂静默期占主导。

3.3 可控电阻开关与耐久性

单极性脉冲训练可高效触发ON/OFF切换，电压需超过阈值（V_thresh），由局部焦耳热驱动。交替极性脉冲促进OFF/ON切换，阈值（V_threshAlt）较低，利于非定向热重建导电路径。器件可逆切换数百次，ON/OFF状态在低偏压下稳定，开路时ON态会向OFF态漂移。

3.4 多电极器件电响应

多电极器件中，各电极对表现类似双端器件，可逆切换电阻状态。左电极（A、B、C）通过低电阻区互连，右电极（1、2、3）被高电阻凹槽隔离。对某一电极对施加写入脉冲会非局部影响其他电极对电阻，体现网络复杂连通性。

3.5 多态可重构多电极器件

多电极器件可实现信号多路复用，通过写入脉冲自组织控制线路通断。系统随机探索所有通断组合，构成非传统多路复用器。同一器件还可作为可重构阈值逻辑门，通过双极性脉冲训练和输出补偿，实现全部3输入布尔函数，包括非线性可分离函数。器件在500次训练中生成所有可能布尔函数，证明其多态性。

4 结论

金簇组装纳米结构薄膜器件具有双稳态电阻特性，可通过定制脉冲协议可控切换。多电极器件中非局部响应支持自适应可编程性，实现多路复用和阈值逻辑功能。该多态器件为突破冯·诺依曼架构、开发低功耗自适应硬件提供了新途径。