二維過渡金屬硫族化合物（TMDCs）橫向憶阻器是神經形态計算的理想電學元件，有望在提升算力的同時降低運算能耗，滿足日益增長的數據運算需求。然而，目前二維TMDCs橫向憶阻器的阻變能力較差，阻變比不高，在很大程度上影響了神經形态計算的準确度和可靠性。究其原因，現有的阻變機制難以實現對二維TMDCs材料的可逆、深度摻雜。

基于上述關鍵問題，受生物“氣體-受體”信号通路的啟發，beat365劉锴副教授團隊與谷林教授團隊合作，提出了一種氣體（H₂O）-受體（缺陷）協同作用機制，使MoS₂橫向憶阻器阻變比提升了超過10000倍。其中，氣體是指環境中以H₂O為代表的氣态摻雜分子，受體是指通過激光直寫局域熱氧化法在二維TMDCs材料中人為引入的缺陷。研究人員通過理論計算和實驗證明，缺陷的引入會顯著促進水分子對MoS₂的摻雜效果，呈現出氣體-受體協同增強的摻雜效果。基于該機制的二維橫向憶阻器的阻變機理為：施加正或負的源漏電壓，可逆地控制氣體摻雜劑在二維溝道表面的吸附/脫附行為，進而控制氣體摻雜劑對二維溝道的摻雜效果以實現電阻态的調控。該氣體-受體協同作用機制廣泛适用于MoS₂、WS₂、ReS₂和SnS₂等多種二維TMDCs材料以及H₂O和O₂等多種氣體氛圍。

适用于二維TMDCs神經形态器件的氣體-受體協同作用機制

基于氣體-受體協同作用機制，研究人員實現了高性能、多功能人工突觸和人工痛覺感受器應用。人工突觸成功模拟了同突觸可塑性和異突觸可塑性功能：在同突觸可塑性功能中，人工突觸不僅實現了學習、記憶依賴的STDP行為，同時其LTP和LTD性能具有超大的動态範圍（>200）、超多的電阻态數目（28）、良好的線性度和超低的編程功率P_prog（<100pW）和讀取功率P_read（<1pW）。

在異突觸可塑性功能中，實現了通過控制環境濕度和Vg脈沖對突觸可塑性的調制。人工痛覺感受器模拟了生物痛覺感受器的特征行為，包括阈值、無适應現象、痛覺過敏和痛覺超敏等，并且具有對不同強度刺激的差異化響應能力。這一研究為高性能、多功能且結構簡單的二維神經形态器件提供了一種解決方案，并且加深了人們對缺陷在二維材料阻變現象中作用的理解。

相關研究成果以“生物啟發的氣體-受體協同作用實現高性能二維神經形态器件”（Bioinspired gas-receptor synergistic interaction for high-performance two-dimensional neuromorphic devices）為題，于3月17日在線發表于《物質》（Matter）。

beat3652020級博士生趙鉑琛為論文第一作者，beat365副教授劉锴為論文通訊作者。其他重要合作者包括beat365教授谷林和博士後王祎馳等。研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和清華大學水木學者等的資助。

論文鍊接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102044