二维原子-分子异质结的制备及其类脑器件应用

类脑计算因模仿人脑高效且低能耗的信息处理特性, 成为解决冯·诺依曼计算机架构在能源效率和处理速度方面瓶颈的有力方案. 然而类脑计算器件中传统异质结构存在的性能单一、制作困难、结合力差等问题限制了技术的应用. 新型二维原子-分子异质结(2DAMH)通过在二维材料表面共价修饰功能性分子提供的稳定性和功能可调性为类脑器件领域带来了新的机遇. 本综述总结了2DAMH在电子特性、合成策略及类脑器件应用方面的最新进展, 尤其是在定制界面特性及模拟生物突触功能上的潜力. 尽管共价修饰在精确性、规模化生产和理论完善度等方面仍面临挑战, 但不断涌现的创新研究正在积极探索解决方案, 展现出在类脑计算智能系统中实现更高效、更节能计算模式的巨大潜力.

自石墨烯发现以来, 二维(2D)材料科学领域经历了飞速的发展, 基于石墨烯、六方氮化硼、过渡金属卤化物、石墨化氮化碳、层状金属氧化物、二维聚合物、金属-有机框架、钙钛矿、黑磷等常见2D材料在电子、光电子学、传感器、储能、生物医学、信息存储等领域展示出非凡的前景. 这些以单原子层厚度在二维平面上无限延伸的材料, 凭借其独特的平面结构展现出较高的载流子迁移率、极佳的热学和机械性能、规整的晶格结构、纳米级尺寸和稳定无悬挂键的表面, 在如今追求微型化的器件领域中拥有天然的竞争优势. 尽管如此, 2D材料在固态时具有很强的聚集效应, 难以溶解于任何常见的有机溶剂, 分散稳定性差, 给材料的加工带来严重困难, 同时难以大规模、低成本、精准地制备层数可控、尺寸可控的二维材料. 它们的特有属性有时也会成为其应用受限的重要因素, 如高载流子迁移率的石墨烯因无带隙特性限制了其在半导体器件中的应用范围. 因此, 微调2D材料的特性对其克服内在约束有着十分重要的作用, 而表面修饰可以调整2D材料的电子、光学、机械和化学等性质, 以扩大其在自旋电子学、光电子学、超导、光伏、传感器、催化和生物医学等各个领域的应用.

先进制备技术的进步使高质量功能化的2D材料样品得以广泛应用, 天然平坦、表面无悬挂键且原子级精度的2D层状结构提供了高效的电荷分离、转移和传输的理想界面, 是用于制备微小型异质结构的理想材料. 传统异质结依靠不同材料间的范德华力实现连接, 异质结在界面处发生的电荷转移行为显著优化了其电调控性能, 同时其平面特性为堆垛过程带来了出色的灵活性和简便性, 目前已经取得了重要的研究进展. 然而, 材料带隙难以控制、电学功能单一、范德华力连接较弱、性能对表面缺陷敏感、制备过程复杂、难以批量化生产等依旧是影响传统异质结发展的因素. 为了克服这些限制, 新型二维原子-分子异质结(2DAMH)的构建策略成为近年来的研究热点. 采用功能性分子共价修饰2D材料形成稳定的化学键成为增强异质结构界面相互作用的新途径. 具有得失电子能力的有机分子官能团可对外部刺激(如电、光、温度等)做出敏感响应, 这不仅可以对2DAMH的电子输运等特性进行显著优化, 还可实现界面性质的定制化调节, 进而显著调控器件性能, 为设计具有特定电子或光学特性的异质结构开辟了新的研究方向.

随着传统架构的计算机性能逼近性能极限, 高能耗和数据传输延迟等问题日渐突出. 作为潜在的解决方案, 类脑计算以其模仿人脑的高效率和低能耗信息处理能力而备受期待. 但受限于传统互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的性能瓶颈, 仿生突触电子器件作为类脑计算的新器件基础而提出, 这对设计能够精确复现突触行为特性的材料制备提出了新的挑战. 在这一背景下, 2DAMH因可高度定制的电荷转移特性而成为人工突触实现和改良的理想平台, 其可调节的界面性能和设计灵活性支持了对突触行为精确模仿和控制的技术迭代. 本文详细探讨了2DAMH的基本概念、分子内电荷转移特性和合成策略, 并从对材料特性利用的角度出发, 讨论了目前在实现类脑多功能单器件集成方面的研究进展. 2DAMH的定制化提供了一种强大的工具, 通过对材料的合理设计精确控制修饰程度和模式, 可以获得具备不同识别功能和性能需求的器件. 该系列研究有望推动专业类脑计算器件单元的发展, 为类脑计算智能系统提供更高效、更节能的计算模式.