從2008年問世以來，憶阻器便吸引了研究人員的廣泛關注，其高密度、低功耗以及電阻可調的優(yōu)勢彰顯了它在突觸模擬器領域的巨大潛力。迄今為止，具備憶阻行為的材料主要可以分為以下三種：
（1）無機晶體材料（包括TiO2、ZnO等），這一類材料熱穩(wěn)定性較好，但是機械柔性差且制備工藝復雜。
（2）有機小分子材料（Alq3、染料等），柔韌性優(yōu)良，制備條件溫和，但是熱穩(wěn)定性及環(huán)境穩(wěn)定性較差。
（3）有機-無機復合材料（通常情況下，以無機納米材料為客體，有機聚合物材料為主體進行摻雜、復合），這一類材料兼具了較好的穩(wěn)定性與柔性，然而在制備過程中需要克服相分離的問題。
大量的研究表明，優(yōu)異的柔韌性與極佳的環(huán)境穩(wěn)定性類似魚與熊掌，難以兼得，極大的限制了憶阻器件在新型領域如可拉伸顯示、智能皮膚等方向上的應用。
鑒于此，蘇州大學賀競輝、路建美團隊開創(chuàng)性的設計制備了一種全無機的離子聚合物材料多磷酸銨(APP),APP由多磷酸主鏈和側鏈的銨離子組成，兼具了聚合物鏈的柔韌性和離子鍵的高穩(wěn)定性?；贏PP材料制備的憶阻器件在時長僅20?ns，幅值為0.1?V以及高達10000次的電脈沖周期下表現(xiàn)出優(yōu)異的突觸行為。此外，該器件可以在360°的彎曲條件下正常工作，其電學性能在經(jīng)過60秒的燃燒和高達5.6?kGy的伽馬射線輻射下仍然能夠保持，在可重構射頻系統(tǒng)、極端環(huán)境電子、生物仿真系統(tǒng)等領域表現(xiàn)出極大的應用潛力。該研究以題“All-inorganic ionic polymer-based memristor for high-performance and flexible artificial synapse”的論文發(fā)表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
【神經(jīng)突觸與憶阻器件的結構】
突觸指的是人類大腦中軸突和樹突之間的間隙，承載著信息傳遞的功能（圖1a）。作者以APP為憶阻介質(圖1c)，旋涂制備了兩端式的憶阻器件（Au/APP/ITO,圖1b）來模擬突觸的結構。由于不同的退火溫度會導致APP薄膜結晶程度上的差異，作者選取了100℃作為退火溫度。界面的SEM圖片表明器件具有分明的層狀結構(圖1d)。相較于APP粉末，退火后的APP薄膜表面光滑緊湊，其表面氨基基團的增加更加有利于離子的遷移，賦予了器件良好的電學性能。
【憶阻器件模擬人類突觸行為】
在連續(xù)的正/反向電壓掃描中，隨著掃描次數(shù)的增加，器件的電流呈現(xiàn)連續(xù)降低的趨勢，表現(xiàn)出了明顯的憶阻行為（圖2a,b,c）。為了模擬人類大腦中突觸間傳遞信息這一瞬時行為（50 ms）,作者進一步采用了納秒級別的電脈沖對憶阻器件的電學性能進行表征。結果顯示，器件的突觸行為對所施加的電脈沖的幅值、間隔以及寬度具有極大的依賴性，具體表現(xiàn)為，幅值越大（-0.4 V），寬度越長（20000 ns），間隔越短（20 ns），器件的電阻值變化的越大。該器件的響應時間、持續(xù)時間以及轉變速率都滿足了模擬人類突觸的要求。
【憶阻器件突觸可塑性研究】
當接受到刺激時，人類突觸在刺激結束后的一段時間內仍然能夠保持興奮，即興奮性突觸后電位和興奮性突觸后電流（EPSC）。作者采用幅值為1-10V的電脈沖對器件進行刺激，發(fā)現(xiàn)器件的電流及時響應，并在電壓出發(fā)結束后仍然維持了幾納秒的時間，成功實現(xiàn)了EPSC的功能（圖3a）。通過對連續(xù)電脈沖刺激下器件的電流反應數(shù)據(jù)進行擬合，還獲得了器件的突觸權重變化曲線（圖3b）。值得關注的是，通過對器件進行高達10000次的電脈沖刺激，器件的電流值表現(xiàn)出了長程抑制的趨勢（圖3c,d）。此外，通過對電脈沖施加的時間進行調控，器件成功的重現(xiàn)了人類突觸中的峰時依賴可塑性（STDP）規(guī)則（圖3e）。
【憶阻器件的柔性及環(huán)境穩(wěn)定性】
由于APP材料本身良好的柔性、無毒、透明以及生物可降解等特性，制備出的憶阻器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的柔性（360°彎曲,圖4a）、透明可貼附(圖4b,c)、生物降解（圖4d,e）等功能。重要的是，即使在極端的工作環(huán)境下，包括95%的濕度環(huán)境，高強度的伽馬射線輻射（圖4j）甚至置身火焰中（圖4k），器件都能夠維持良好的工作特性，證明了器件極為優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。
【器件憶阻行為的機理】
為了揭示器件憶阻行為的原理，作者在APP憶阻層與金電極之間插入了一層僅允許質子或陽離子通過的電解質層，并采用了C-AFM和KPFM等手段進行探究。結果顯示，器件的憶阻行為主要源于電場引起的電子/空穴注入到APP薄膜中，導致薄膜中質子與銨根的分離和遷移，從而實現(xiàn)了對器件電阻的連續(xù)調控（圖 5）。
總結：作者設計制備了兼具高柔性與環(huán)境穩(wěn)定性的全無機聚合物材料APP并將其應用于憶阻器件，成功重現(xiàn)了包括STDP、EPSC等人類突觸的行為。同時，該器件具備優(yōu)異的生物兼容性和環(huán)境友好性，能夠工作在各類極端環(huán)境下，彰顯了其在未來綠色電子、生物系統(tǒng)仿真以及神經(jīng)形態(tài)計算等領域巨大的應用潛力。
