近日，郑州大学金刚石材料与器件团队在金刚石高温忆阻器应用方面取得重要进展，利用金属/金刚石界面反应，通过晶界工程构建导电通道，实现多晶金刚石高温忆阻器（600℃）应用。相关成果发表于《Advanced Materials》，郑州大学硕士生孙广凯为论文第一作者，郑州大学李星教授，程少博教授、单崇新教授为论文的共同通讯作者。
人工智能、空间探索、深井钻探及核能等领域对极端环境下高可靠计算需求日益增长。但高温环境下（>200℃）传统氧化物基阻变器件易失效，存在极端环境下复杂计算操作难实现的问题。金刚石被誉为“终极半导体材料”，具备超宽禁带、高载流子迁移率、超强击穿电场和极高热导率等优势，在极端环境器件开发中展现出广阔的应用前景。然而，金刚石的超高化学稳定性和难以调控的导电性，使其在电场作用下难以像常见氧化物那样实现显著的高低阻值变化，这直接制约了金刚石基高温忆阻器的发展。
晶界工程实现金刚石高温忆阻器应用
1. 晶界工程实现金刚石高温忆阻器应用
研究团队利用金属镍在高温下沿金刚石晶界的优先刻蚀反应，沿晶界构建出垂直离子传输通道，并基于多晶金刚石制备了垂直结构忆阻器。该金刚石忆阻器开关比高达104，耐久性测试显示其可在6500次循环中保持性能不衰减，且数据保持时间超过7000秒。
所制备的金刚石忆阻器在超宽温区下也具有良好的稳定性，无论是在-150°C的极寒环境，还是在600°C的高温下，该器件依然能够稳定地执行开关操作。研究团队借助原位透射电子显微学技术，进一步证实了该金刚石忆阻器的阻变机制源于沿晶界处Ag导电细丝的形成和断裂过程。
2. 实现金刚石忆阻器神经形态功能模拟：从突触可塑性到痛觉感知
团队利用金刚石忆阻器成功模拟了生物突触的多种行为。通过施加不同间隔的双脉冲刺激，器件展现了典型的双脉冲易化（PPF）和双脉冲抑制（PPD）现象。在长程突触可塑性方面，连续的电压脉冲序列成功诱导了长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD），其学习与遗忘曲线与生物突触高度吻合。
金刚石忆阻器模拟生物突触行为
此外，基于其灵敏的响应特性，研究团队还构建了人工痛觉感受器模型，成功模拟了生物体在正常状态下的“阈值”与“松弛”行为，以及在异常状态下的“痛觉过敏”和“异痛”现象，展示了其在仿生感知系统中的巨大应用潜力。
金刚石忆阻器模拟痛觉感知
该工作得到了国家自然科学基金、河南省国际科技合作项目等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74418
