兰州大学《AFM》：超高频电容式离子二极管在存算一体方面的应用

近日，兰州大学电子材料与器件课题组在超高频电容式离子二极管在存算一体方面取得新进展，相关成果以Bioinspired High-Rate Supercapacitor Diode for Kilohertz Computing-In-Memory Application为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials上，论文的第一作者为兰州大学在读硕士生杨晓博，兰州大学马鸿云青年研究员、栗军帅教授为通讯作者。

论文链接：

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

人工智能与类脑计算的迅速发展，正不断对数据处理与存储能力提出新的挑战，也推动着对新型计算与存储器件的迫切需求。受生物突触中蛋白质通道选择性离子传输机制的启发，研究团队设计并构建了一种基于水合六方相三氧化钨（h-WO3）的电容式离子二极管（CAPode）。水合h-WO3具备六方相仿生质子通道结构，通道中嵌有水分子链，赋予其优异的质子选择性与快速传输动力学特性。基于上述优势，所构建的CAPode实现了高达242的整流比与1745 Hz的响应频率，并在20000次充放电循环测试后仍保持出色的循环稳定性。在这些性能的协同作用下，该水合h-WO3基CAPode能够在千赫兹甚至更高频率下高效执行基础逻辑运算。更值得关注的是，该器件还展现出卓越的擦写能力与良好的长期记忆效应，充分证明了其在存算一体（CIM）架构及类脑计算等前沿领域中的广阔应用前景。

图1 基于CAPode的新型存算一体架构

图2 水合h-WO3的电化学性能

图3 水合h-WO3机理表征

图4 水合h-WO3中质子传输理论计算

图5 水合h-WO3基 CAPode 的电化学性能

图6 水合h-WO3基CAPode在存算一体中的应用

受生物突触启发，研究团队成功开发了一种基于水合六方相三氧化钨（h-WO3）的电容式离子二极管（CAPode）。该器件在整流性能与响应频率方面实现显著提升，可在千赫兹频率下执行离子/电子耦合逻辑运算，并支持存算一体（CIM）架构的实现。此外，该CAPode还展现出优异的写入/擦除能力与长期记忆特性，充分证明其在存算一体与类脑计算中的应用潜力。通过原位表征与理论计算，进一步揭示了其高效离子筛分与快速质子传输的机理，为下一代CAPode的设计提供了理论依据。此工作不仅夯实了CAPode的研究价值，也为基于离子电子学的类脑计算发展推进了关键一步。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。