蘭州大學《AFM》：超高頻電容式離子二極管在存算一體方面的應用

近日，蘭州大學電子材料與器件課題組在超高頻電容式離子二極管在存算一體方面取得新進展，相關成果以Bioinspired High-Rate Supercapacitor Diode for Kilohertz Computing-In-Memory Application為題發表在國際期刊Advanced Functional Materials上，論文的第一作者為蘭州大學在讀碩士生楊曉博，蘭州大學馬鴻云青年研究員、栗軍帥教授為通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202524006

人工智能與類腦計算的迅速發展，正不斷對數據處理與存儲能力提出新的挑戰，也推動著對新型計算與存儲器件的迫切需求。受生物突觸中蛋白質通道選擇性離子傳輸機制的啟發，研究團隊設計并構建了一種基于水合六方相三氧化鎢（h-WO3）的電容式離子二極管（CAPode）。水合h-WO3具備六方相仿生質子通道結構，通道中嵌有水分子鏈，賦予其優異的質子選擇性與快速傳輸動力學特性。基于上述優勢，所構建的CAPode實現了高達242的整流比與1745 Hz的響應頻率，并在20000次充放電循環測試后仍保持出色的循環穩定性。在這些性能的協同作用下，該水合h-WO3基CAPode能夠在千赫茲甚至更高頻率下高效執行基礎邏輯運算。更值得關注的是，該器件還展現出卓越的擦寫能力與良好的長期記憶效應，充分證明了其在存算一體（CIM）架構及類腦計算等前沿領域中的廣闊應用前景。

圖1 基于CAPode的新型存算一體架構

圖2 水合h-WO3的電化學性能

圖3 水合h-WO3機理表征

圖4 水合h-WO3中質子傳輸理論計算

圖5 水合h-WO3基 CAPode 的電化學性能

圖6 水合h-WO3基CAPode在存算一體中的應用

受生物突觸啟發，研究團隊成功開發了一種基于水合六方相三氧化鎢（h-WO3）的電容式離子二極管（CAPode）。該器件在整流性能與響應頻率方面實現顯著提升，可在千赫茲頻率下執行離子/電子耦合邏輯運算，并支持存算一體（CIM）架構的實現。此外，該CAPode還展現出優異的寫入/擦除能力與長期記憶特性，充分證明其在存算一體與類腦計算中的應用潛力。通過原位表征與理論計算，進一步揭示了其高效離子篩分與快速質子傳輸的機理，為下一代CAPode的設計提供了理論依據。此工作不僅夯實了CAPode的研究價值，也為基于離子電子學的類腦計算發展推進了關鍵一步。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。