具有线性高速开关的突触设备可以加速硬件中体现的人工神经网络(ANN)的学习。然而，传统的电阻性存储器不受高写入噪声和不对称电导调谐的影响，从而阻止了ANN阵列的并行编程。电化学随机存取存储器(ECRAM)通过将离子插入氧化还原活性通道来实现电阻性开关，其线性开关和低噪声旨在解决这些挑战。然而，使用2D材料和金属氧化物的ECRAM避免了慢离子动力学，而有机ECRAM可以实现高速操作，但由于聚合物的温度稳定性较差，在芯片集成方面面临挑战。
来自斯坦福大学和瑞典皇家理工学院的学者展示了使用2D碳化钛(Ti3C2Tx)Mxene的ECRAM，它在单个高性能器件中结合了有机物的高速和无机材料的集成兼容性。这些ECRAM结合了ANN并行加速所必需的速度、线性度、写入噪声、开关能量和耐久性指标，而且重要的是，它们在与硅电子的后端集成所需的热处理后是稳定的。这些ECRAM的高速和高性能引入了MXenes，这是一个2D碳化物和氮化物大家族，迄今已合成了30多种化学计量成分，是运行在电化学和电子学结合点的器件的有前途的候选者。相关文章以“High-Speed Ionic Synaptic Memory Based on 2D Titanium Carbide MXene”标题发表在Advanced Functional Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202109970
图1.采用LBL自组装的MXene-ECRAM器件架构和性能优化。a)ECRAM器件原理图。b)Si上(MXene/TPA)n层(n=10，20，30)多层膜的横截面扫描电镜图像。c)基于原始Ti3C2Tx(黑色虚线)和(MXene/Tapa)n多层膜(有色)的MXene ECRAM在8V s-1的高速栅压扫描下获得了近乎线性的高速电阻开关。d)纯Ti3C2Tx(黑色)和LBL组装(MXene/TPA)10多层膜(蓝色)的XRD图谱。
图2.MXene-ECRAM的快速循环以及与其他离子存储器的速度比较。a)(MXene/TAPA)10 ECRAM的快速脉冲操作，使用±1-V 4-µs写入脉冲，随后为1-µs写入-读取延迟和0.1-V 10-µs读出。b)(MXENE/TAPA)10 ECRAM循环，使用±1-V 4-µs写入脉冲(顶部面板)和每次写入∆Q(底部面板)。循环几乎是线性的，在ECRAM动态范围内，每次写入的∆Q恒定。
图3.MXene-ECRAM保持、对>108个写-读事件的耐受能力，以及使用实验测量的ECRAM写噪声进行的图像识别模拟。a)(MXene/TPA)6将器件编程为指示的源极至栅极电压(VSG)和FTS至双指数衰减(橙色虚线)后，ECRAM状态保持在环境(红色)中。b)(MXENE/TAPA)6使用±1-V 4-µs写入脉冲记录的ECRAM耐力可承受>108个写-读事件(上面板)，在整个过程中(下面板)具有稳定的∆Q写入。
图4.MXene-ECRAM对高温的恢复能力。
这项工作代表了实现2D MXene大家族作为电化学可调材料用于高性能应用，特别是用于突触存储器的潜力的第一个基本步骤。据本文所知，这是基于2D材料的速度最快的离子存储器，它将以前报道的材料的优点结合在一个高性能器件中。它还表明，LBL自组装可以用于应对未来的挑战，方法是在晶片规模上实现多层Ti3C2Tx薄膜、Ti3C2Tx以外的MXene，甚至其他2D材料和2D异质结的快速原型制作和基础研究。（文：SSC）
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