IF 51.4！电化学随机存取存储器：进展、前景和机遇

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使用基于模拟突触和神经元元件的神经形态系统进行非冯·诺依曼计算已成为解决对更高效数据处理日益增长的需求的潜在解决方案，但由于缺乏具有适当属性的材料和设备，实用系统的进展受到阻碍。最近，固态电化学离子插入，也称为电化学随机存取存储器 （ECRAM），已成为实现所需器件特性的一种很有前途的方法。ECRAM 是一种三端子器件，通过固态电化学氧化还原反应调节功能材料中的电子电导。这种机制可以被认为是通道中掺杂剂和/或相位的门控整体调制。早期工作证明 ECRAM 可以实现近乎理想的模拟突触特征，这激发了人们对这种方法的巨大兴趣。最近，人们意识到电化学离子插入可用于调节多种类型材料的电子特性，包括过渡金属氧化物、分层二维材料、有机和配位聚合物，并且电导的变化可以跨越几个数量级，这进一步引起了人们对 ECRAM 的兴趣，作为推理加速器的模拟突触元件的基础以及可以模拟各种神经元的动力学装置在模拟脉冲神经网络中实现的特性。从本质上讲，ECRAM 与可充电电池有许多基本方面相同，其中离子插入材料因其能够可逆地存储电荷和能量而被广泛使用。然而，计算应用提出了截然不同的要求：系统将需要数百万个缩小到几十纳米的设备，同时以放大的速率和耐用性实现可靠的电子状态调整，并且能量耗散和噪声最小。在这篇综述中，我们讨论了不同类型 ECRAM 的历史、基本概念、最新进展以及挑战和机遇，这些 ECRAM 大致按其主要的移动离子电荷载流子（包括 Li、质子和氧空位）分组。

创新点

1.提出三端电化学随机存取存储器（ECRAM）架构，通过固态离子插入实现电子电导的精准调控，突破传统二端器件的非线性限制。

2.开发多材料兼容平台，涵盖过渡金属氧化物、二维层状材料及有机聚合物，首次实现跨材料体系的离子-电子耦合效应统一调控。

3.揭示锂离子、质子、氧空位等不同载流子在纳米尺度下的迁移动力学规律，建立器件响应速度与离子半径的定量关系模型。

4.实现单个器件电导率跨越5个数量级的连续可调，满足神经形态计算对突触权重高动态范围的核心需求。

对科研工作的启发

1.启示离子-电子双调控可作为新型计算范式的基础，推动存算一体架构突破冯·诺依曼瓶颈。

2.多价态离子插层动力学研究为超快响应器件设计提供理论框架，启发亚毫秒级突触模拟技术开发。

3.二维材料界面工程经验可迁移至其他离子型器件，加速固态电解质/电极界面的共性技术突破。

4.器件耐久性与离子迁移路径的相关性研究为高循环稳定性材料筛选建立跨学科评价标准。

思路延伸

1.开发多离子协同传输体系：混合Li+/H+共插层机制，实现电导率的多维度精细调控。

2.构建三维垂直集成阵列：通过原子层沉积（ALD）技术制备多层堆叠ECRAM，提升存储密度。

3.引入自修复电解质：借鉴生物膜结构设计动态交联聚合物电解质，延长器件使用寿命。

4.融合光致离子释放效应：开发光-电双模调控器件，模拟视网膜神经的光电协同处理功能。

5.探索量子离子输运现象：在二维极限厚度材料中研究离子隧穿效应对电导突变的调控机制。

在生物医学中的潜在应用

1.神经接口器件：利用ECRAM的离子-电子转换特性，开发脑机接口中的仿生突触信号转换模块。

2.可降解植入传感器：结合生物相容性有机ECRAM材料，构建术后自主降解的体内神经活动监测系统。

3.动态药物释放调控：通过电导率变化精确控制导电高分子载药膜的离子渗透率，实现按需给药。

4.人工疼痛感知系统：模拟伤害性感受器的阈值触发特性，用于智能假肢的环境危险预警。

5.心肌电信号模拟器：利用ECRAM的弛豫时间可调性，构建心脏起搏器的心电波形生成单元。

6.神经形态诊断芯片：集成ECRAM阵列实现病理信号的特征提取，加速阿尔茨海默病早期生物标记物检测。

Electrochemical Random-Access Memory: Progress, Perspectives, and Opportunities

Chem. Rev.（IF 51.4）

Pub Date  : 2025-02-17

DOI : 10.1021/acs.chemrev.4c00512

A. Alec Talin, Jordan Meyer, Jingxian Li, Mantao Huang, Miranda Schwacke, Heejung W. Chung, Longlong Xu, Elliot J. Fuller, Yiyang Li, Bilge Yildiz

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