北京时间2025年3月17日，清华大学材料学院刘锴团队在Matter期刊上发表了题为“Bioinspired gas-receptor synergistic interaction for high-performance two-dimensional neuromorphic devices”的研究成果。

受生物“气体-受体”信号通路启发，该成果提出了一种适用于多种二维过渡金属硫族化物（TMDCs）的“气体-受体协同作用”机制，可对二维TMDCs材料实现可逆、深度掺杂，显著提升MoS₂横向忆阻器阻变比超10⁴倍，实现了高性能、多功能人工突触和人工痛觉感受器应用。

论文通讯作者是清华大学刘锴副教授，第一作者是清华大学材料学院博士研究生赵铂琛。

二维TMDCs横向忆阻器是神经形态计算的理想电学元件，有望在提升算力的同时降低运算能耗，满足日益增长的数据运算需求。然而，目前二维TMDCs横向忆阻器的阻变能力较差，阻变比不高，这在很大程度上影响了神经形态计算的准确度和可靠性。究其原因，现有的阻变机制难以实现对二维TMDCs材料的可逆、深度掺杂。

基于上述关键问题，受生物“气体-受体”信号通路的启发，清华大学刘锴团队与谷林团队合作，提出了一种气体（H₂O）-受体（缺陷）协同作用机制，使MoS₂横向忆阻器阻变比提升了超过10000倍。其中，气体是指环境中以H₂O为代表的气态掺杂分子，受体是指通过激光直写局域热氧化法在二维TMDCs材料中人为引入的缺陷。

作者通过理论计算和实验证明，缺陷的引入会显著促进水分子对MoS₂的掺杂效果，呈现出气体-受体协同增强的掺杂效果。基于该机制的二维横向忆阻器的阻变机理为：施加正或负的源漏电压，可逆地控制气体掺杂剂在二维沟道表面的吸附/脱附行为，进而控制气体掺杂剂对二维沟道的掺杂效果以实现电阻态的调控。作者发现气体-受体协同作用适用于MoS₂、WS₂、ReS₂和SnS₂等多种二维TMDCs材料以及H₂O和O₂等多种气体氛围。

图1：气体-受体协同作用机制的原理图和忆阻器的阻变比提升。

图2：气体-受体协同作用机制的理论计算、实验表征和适用性探究。

基于气体-受体协同作用机制，作者实现了高性能、多功能人工突触和人工痛觉感受器应用。人工突触成功模拟了同突触可塑性和异突触可塑性功能：在同突触可塑性功能中，人工突触不仅实现了学习、记忆依赖的STDP行为，同时其LTP和LTD性能具有超大的动态范围（>200）、超多的电阻态数目（2⁸）、良好的线性度和超低的编程功率P_prog（<100pW）和读取功率P_read（<1pW）。在异突触可塑性功能中，实现了通过控制环境湿度和V_g脉冲对突触可塑性的调制。人工痛觉感受器模拟了生物痛觉感受器的特征行为，包括阈值、无适应现象、痛觉过敏和痛觉超敏等，并且具有对不同强度刺激的差异化响应能力。

图3：基于气体-受体协同作用的人工突触。

图4：基于气体-受体协同作用的人工痛觉感受器。

该工作为高性能、多功能且结构简单的二维神经形态器件提供了一种解决方案，并且加深了人们对缺陷在二维材料阻变现象中作用的理解。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102044