忆阻器类脑芯片与人工智能( 三 ) 来源：文章转载自期刊《微纳

忆阻器因能够完全模拟生物突触行为，有望模拟重建生物神经网络并实现神经形态类脑计算，在类脑计算及其硬件化领域引起广泛关注。现阶段国际上的研究者对忆阻材料的研究主要集中在利用忆阻器替代神经网络模型中的权重参数，实现神经网络硬件化。目前利用忆阻器模拟生物突触并完全类似生物大脑皮层工作还未实现，这主要是由于目前研究者还未掌握生物大脑皮层学习和识别的具体算法。研究生物大脑运行算法，并构建响应的神经网络模型，最终利用忆阻器将神经网络模型硬件化，将成为未来类人智能的一个重要研究方向。
（2）光子类突触器件与芯片
由于受冯·诺依曼计算架构的限制，在计算机中计算和存储不能同时进行，这种架构严重制约计算机的计算效率和能耗。人脑消耗20W的功率能够处理1020MAC/s的数据量，计算效率约比当今超级计算机高9个数量级。受大脑高效计算和低能耗的启发，人们开始转向对人脑的研究。人的大脑中大约含有1011 个生物神经元，它们通过1015 个联接联成一个系统[19] 。由于神经元间通过突触相互连接，信息在突触间进行转换、加权处理和传递，而突触又是神经元最重要、数量最多的组成部分。同时光学又因为其高速、低能耗、低串扰、可扩展性和高互连带宽等优点，逐渐被研究者所利用。因此利用光电子器件作为类突触器件去模拟生物突触非常必要。另一方面，光电子器件和神经元遵从的动力学具有数学同构性，基于这种同构性，光电子器件能够模拟神经元行为并实现类脑计算，进而构建光学类脑芯片。
目前许多电子器件已被用来实现突触功能，例如基于电诱发的阻变器件[20-22] ，金属-绝缘体-金属结构[23-24]以及基于纳米材料的场效应晶体管结构[25-26]等。光学突触方面，基于微型光纤[27]和碳纳米管[28]实现了光学突触和光电突触，其具有大带宽和无电互连损耗的优点，但同时面临着难于集成和速度等限制。基于波导结合相变材料的结构实现光学突触成为了一种趋势。利用相变材料结合氮化硅波导实现的片上光学突触[29] ，这种架构能够实现光诱发权重变化和突触权重的可塑性。
研究进展
1.忆阻器材料
忆阻器具有简单的三明治结构，两层电极加一层忆阻功能层，因此忆阻材料包括电极材料和忆阻功能材料。本课题组在电极材料方向发展了低温生长石墨烯技术，旨在开发CMOS兼容的石墨烯材料用于忆阻器电极；在功能层材料方向开展了WTiOx薄膜材料的生长技术，目标是实现高温定性忆阻器功能层。下面分别介绍低温生长石墨烯技术和WTiOx薄膜生长技术。
（1）低温石墨烯生长技术
石墨烯作为第一种被发现的二维材料[30-31] ，其独特的电学、光学和机械性能吸引了广泛的研究热潮。石墨烯的制备方法多种多样，包括机械剥离[30] ，氧化还原[32-34],碳化硅延[35-36]和化学气相沉积（CVD）[37-40] 。其中，以金属薄膜（铜、镍[38,40]）为催化剂通过CVD法在金属表面制备石墨烯是目前最为常用的石墨烯生长方法之一。该方法具有石墨烯质量高、产量大的优点。但是，金属衬底生长的石墨烯无法直接制备电子器件，需要通过转移工艺将石墨烯从金属衬底表面转移其他目标衬底（半导体或绝缘体衬底）。转移工艺带来的复杂和不确定性是限制石墨烯发展的瓶颈之一。因此，石墨烯直接生长的研究应运而生，成为目前石墨烯生长的研究热门领域之一。石墨烯直接生长指的是在目标衬底表面生长得到石墨烯薄膜，无需转移。石墨烯的直接生长又可以简单分为3类[41]：无金属催化直接生长[42-43] ，等离子体增强直接生长[44-45] ，以及金属催化辅助的直接生长[46-49] 。目前，直接生长工艺发展迅速，一些报道中石墨烯的质量已经可以比拟金属衬底CVD催化的石墨烯质量。但是，直接生长还存在一个问题是生长温度过高，目前报道的直接生长的石墨烯温度普遍在1000°C以上[42-44,46-49] ，绝大多数衬底都难以承受如此高的生长温度。于是，降低石墨烯的生长温度迫在眉睫。目前低温直接生长石墨烯主要有以下途径：选用易裂解碳源，如含有苯环的有机物碳源[50] 。甲烷是高温生长石墨烯最常用的碳源，但是在低温下，甲烷难以完全裂解，导致石墨烯质量明显下降。选用一些有机物碳源，更易裂解，因而能够提高低温下生长石墨烯的质量。另外有研究人员利用独特的液态金属来实现低温石墨烯生长，如液态镓，液态锡[51-52] 。这种液态金属催化不仅能够实现碳源的低温裂解，同时液态金属表面没有晶界，更加平整，也有利于提高石墨烯质量。此外，还有通过钛催化实现接近常温的石墨烯生长[53] 。等离子体增强技术也被用来实现石墨烯的低温生长[44,54] ，由于加了离子体，能够实现甲烷的低温裂解，从而在低温下实现石墨烯的生长，该方法是最适合大批量的石墨烯低温生长的技术之一。我们课题组通过等离子体增强技术在600°C实现石墨烯在铜镍合金表面的低温生长，同时，结合我们此前发表的原位腐蚀工艺[55] ，能够实现在绝缘衬底表面免转移得到图形化的石墨烯薄膜。等离子体增强技术目前仍存在一些问题。由于温度降低，同时等离子体反应比较剧烈，因此得到的石墨烯的质量普遍较差，另外石墨烯的层数难以控制。我们发现要提高石墨烯的质量和均匀性主要有以下两点：首先，要选用有更高催化性的金属；其次，要提高低温下碳原子在金属表面的扩散速度。如图1[54]所示，选用铜镍合金薄膜作为催化金，通过磁控溅射沉积不同厚度的铜和镍薄膜，退火后得到不同组分的铜镍合金薄膜。可以看到，随着铜镍合金中镍组分的升高，石墨烯的拉曼光谱的D峰逐渐降低， D峰代表石墨烯的谷间缺陷引起的共振散射[56] ， D峰越高表示石墨烯的缺陷越多。