Nat. Mater. 纳米电子设备有望在室温下实现可控操作

【导读】

内存计算通过将逻辑操作和数据存储放在一起，为满足大型数据驱动应用程序不断增长的需求提供了机会。内存逻辑设备是内存和神经形态计算的基本单元。它们的内存逻辑操作已在电阻开关随机存取存储器、相变存储器、磁阻随机存取存储器和铁电随机存取存储器等非易失性存储设备中得到证明。为了进一步小型化电子设备并优化其功率效率，分子级非易失性存储设备为实现内存中逻辑计算提供可能。然而，由于单分子器件制造中的实验挑战和室温下不同分子状态的控制，单分子器件中的内存逻辑操作仍有待探索。

【成果背景】

近日，英国兰开斯特大学物理系教授Colin J. Lambert联合厦门大学化学院谢素原院士以及洪文晶教授为共同通讯作者在权威期刊”NATURE MATERIALS”上发表了一篇题为” Room-temperature logic-in-memory operations in single-metallofullerene devices”的文章，他们使用扫描隧道显微镜断裂连接 (STM-BJ) 演示了两端单内嵌金属富勒烯 Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 器件的室温非易失性存储器行为和内存逻辑操作技术，并且用原位实验证明这些电导开关可以用作脉冲电压为 ±0.8 V 的非易失性存储器，实现 14 个布尔函数的内存逻辑运算。

【核心创新点】

1.在室温下展示了基于单电偶极子在两端单金属富勒烯 (Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈) 器件中翻转的内存逻辑操作。

2.通过向单金属富勒烯结施加±0.8 V的低电压，记录在不同偶极子状态之间的数字信息可以原位可逆编码并存储。

3.用密度泛函理论计算表明，非易失性记忆行为来自富勒烯笼中 [Sc₂C₂] 基团的偶极重定向。

【数据概览】

图 1 | 单金属富勒烯存储器件的机理。@NATURE MATERIALS

a，当状态 I 和 II 嵌入两端金电极时，优化的单 Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 结配置。 P代表分子的极化永久偶极方向。 两种状态 I 和 II 可以通过外部电场可逆地切换。 b，没有外部电场的双稳态能级图。 状态 I 和 II 由能垒 U 隔开。振动激发来自环境中大约 k_BΔT 的热波动，它低于能垒。 c，电场下双稳态的能级图。 由于相反极化的永久偶极子和电场之间的耦合，能级在相反方向上移动。 在运行过程中，存在焦耳热（大约 k_BΔT）。

图 2 | 单分子电导测量和单 Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 器件的原位双电导状态转换和存储操作。  @NATURE MATERIALS

a,b, 对数合并的 1D 电导直方图 (a) 和 2D 电导位移直方图 (b)，由 Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 在 +0.1 V 下的单分子电导测量构建。 c,d, 根据理论计算的偶极子方向和电极排列，两种典型的Au-分子-Au结类型，以及它们相关的单GV曲线。 e,f，设备的非易失性存储器行为。 上图显示了绘制的偏置电压与时间的关系。 由于统计阈值电压约为±0.7 V，所以选择+0.8 V（标记为W₁）写入'1'状态，-0.8 V（标记为W₀）写入'0'状态，+0.2 V（ 标记为R）通过分子的电导读出数字信息。 为确保数据收集，将 +0.01 V 视为零电压（标记为 S），以在测量期间展示非易失性存储器特性。 下图显示了与偏置电压同时绘制的电导。  “读取”的 HCS 和 LCS 分别以蓝色和红色突出显示。 红色和蓝色尖峰代表相关状态的电导一维直方图。 峰值幅度在物理上没有意义。 状态 1 和 0 的非易失特性分别表现在 e 和 f 中。

图 3 |  Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 单金属富勒烯器件中的布尔逻辑运算。@NATURE MATERIALS

a，单金属富勒烯器件的逻辑运算。 器件的源极和漏极分别标有T₁和T₂。 器件上的偏置电压为 0.8 × (T₁ − T₂) V，其中 T₁ 和 T₂ 代表逻辑运算 T₁T₂，包括 00 (0 V)、01 (−0.8 V)、10 (+0.8 V) 和 11 (0 V)。 这里0代表低电位，1代表高电位。 LCS 对应于输出逻辑值“1”。 b，真值表显示了对蕴涵函数 p RIMP q 的运算序列。 c，p RIMP q 逻辑操作的实验演示。 红色和蓝色尖峰代表相关状态的电导一维直方图。 峰值幅度在物理上没有意义。 d，从实验中获得的 14 个基本布尔逻辑函数的材料蕴涵真值表。

图 4：Sc₂C₂@Cs(hept)-C₈₈ 的两态忆阻机制。@NATURE MATERIALS

a，对应于状态 I 和 II，以及中间状态 M 的几何形状和能量分布。 b，当围绕垂直于 [Sc₂C₂] 簇长轴的轴将 [Sc₂C₂] 簇从 0° 旋转到 180° 时，完全松弛的能量景观和 z 方向上的偶极矩。 蓝色、浅蓝色和粉红色的圆圈分别标记了状态 I、M 和 II。 c，这三种状态在偏置电压产生的不同电场下的能量分布。 d，状态 I 和 II 的传输函数与电子能量的关系。

【结论】

在这项工作中，作者展示了室温下两端单金属富勒烯器件的内存逻辑操作，通过使用脉冲偏置电压的富勒烯笼操纵 [Sc₂C₂] 中独立永久偶极子的运动，发现数字信息被可逆编码和存储。 由于[Sc₂C₂]组被封装在笼中，相邻器件之间的偶极间耦合预计低于能垒U，为高密度集成提供可能。单金属富勒烯超分子笼在单分子水平上利用连续运算循环演示了14个基本的布尔逻辑函数，为未来内存和神经形态计算的发展提供了新的见解。此外，金属富勒烯以及更普遍的具有封装单偶极子基团的超分子笼的设计代表了朝着室温电操作、低功耗、两端内存逻辑器件迈出的重要一步，是单分子内存逻辑器件设计目标分子的潜在方向。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01309-y

一.团队介绍

厦门大学信息材料与工业智能实验室（π-lab）是由厦门大学化学化工学院、人工智能研究院、厦门大学萨本栋微纳米研究院、材料学院、柔性电子研究院等多学科青年教师自发组成的跨院系学科交叉团队，主要致力单分子尺度物理化学基础研究，以及分子科学和人工智能交叉的信息材料、科学仪器和智能制造系统领域的应用基础研究。实验室网站Pilab.xmu.edu.cn, 公众号“信息材料与工业智能实验室XMU”。

研究团队现有洪文晶教授、师佳副教授、杨扬副教授和刘俊扬副教授等不同学科背景的教职工，在站博士后10余人，博士生10余名，硕士生40余名，行政团队和研发工程师40余人。实验室负责人洪文晶教授，1985年出生，厦门大学南强重点岗位教授，博士生导师，先后获得厦门大学本科、清华大学硕士、瑞士伯尔尼大学荣誉等级博士学位，是国家级青年人才计划、优秀青年科学基金（优青）获得者，现任厦门大学化学化工学院副院长、嘉庚创新实验室主任助理、厦门时代新能源研究院联席执行院长，并兼任教育部卓越工程师计划和厦门大学EMBA项目导师，获中国化学会青年化学奖、霍英东基金会青年教师奖等。团队成立至今已有3位教师在团队期间入选厦门大学南强B类人才，3位博士后入选博新计划，10余位博士后和博士生获得国内外高校正式教职，也有10余位博硕士研究生获得华为、字节跳动、华为海思等企业职位。

实验室长期招聘对学科交叉感兴趣的博士后，化学、物理、电子、信息、化工相关专业均可，迄今实验室累计已有10余名博士后在高校找到正式教职，方向为：

1. 面向智能计算（逻辑、类脑、量子计算和传感）的分子器件
2. 基于人工智能和机器人系统的分子制造

欢迎邮箱联系whong@xmu.edu.cn。

二.团队在该领域的工作汇总

实验室在单分子尺度物理化学研究领域已在Nat. Mater. (2篇), Nat. Chem., Sci. Adv.（2篇）, Chem（2篇）, Matter（3篇）, J. Am. Chem. Soc.（9篇）, Angew. Chem. Int. Ed.（11篇）, Nat Commun.（7篇）, Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.等国际顶级期刊发表一系列论文，申请专利10余项。

团队还组织设计和建设了亚洲首座无噪声超精密与表征实验室，推动该实验室内微纳器件加工精度进入亚三纳米尺度；团队自主开发的单分子电学表征科学仪器已在包括美国诺奖得主实验室在内的国内外十余个实验室累计安装超过30台，为数十篇单分子电子学领域的研究论文提供了国产科学仪器支持。实验室还建设了总经费数千万元的多个校企联合研发中心，研发中心联合研发成果入选中国科协“科创中国”先导技术榜单。

       近期代表性成果包括：

1. Li, Jing#; Hou, Songjun#; Yao, Yang-Rong#; Zhang, Chengyang#; Wu, Qingqing; Wang, Hai-Chuan; Zhang, Hewei; Liu, Xinyuan; Tang, Chun; Wei, Mengxi; Xu, Wei; Wang, Yaping; Zheng, Jueting; Pan, Zhichao; Kang, Lixing; Liu, Junyang; Shi, Jia;  Yang, Yang; Lambert, Colin J.*; Xie, Su-Yuan*; Hong, Wenjing*, Room-temperature logic-in-memory operations in single-metallofullerene devices.Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01309-y (单分子器件首次实现逻辑运算)
2. Feng, Anni#; Zhou, Yu#; Mohammed, A.Y. Al-Shebami; Chen, Lichuan; Pan, Zhichao; Xu, Wei; Zhao, Shiqiang; Zeng, Biaofeng; Xiao, Zongyuan; Yang, Yang*; Hong, Wenjing*, σ-σ stacked supramolecular junctions. Nature Chemistry, 2022, In press （10.28上线）
3. Bai, Jie#; Daaoub, Abdalghani#; Sangtarash, Sara#; Li, Xiaohui#; Tang, Yongxiang; Zou, Qi; Sadeghi, Hatef; Liu, Shuai; Huang, Xiaojuan; Tan, Zhibing; Liu, Junyang; Yang, Yang; Shi, Jia; Mészáros, Gábor; Chen, Wenbo*; Lambert, Colin*; Hong, Wenjing*; Anti-resonance features of destructive quantum interference in single-molecule thiophene junctions achieved by electrochemical gating, Nature Materials, 2019, 18, 364-369 （单分子器件中相消量子干涉效应的首次实验观测https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab448/info75343.htm）
4. Huang, Xiaoyan#; Tang, Chun#; Li, Jieqiong#; Chen, Li-Chuan#; Zheng, Jueting; Zhang, Pei; Le, Jiabo; Li, Ruihao; Li, Xiaohui; Liu, Junyang*; Yang, Yang; Shi, Jia; Chen, Zhaobin; Bai, Mindong; Zhang, Hao-Li; Xia, Haiping; Cheng, Jun*; Tian, Zhong-Qun; Hong, Wenjing*; Electric-field-induced selective catalysis of single-molecule reaction,Science Advances, 2019, 5, eaaw3072（单分子化学反应中定向电场效应的首次实验报道）
5. Liu, Junyang; Huang, Xiaoyan; Wang, Fei; Hong, Wenjing*, Quantum interference effects in charge transport through single-molecule junctions: detection, manipulation and application, Accounts of Chemical Research,2019, 52, 151-160（实验室在相消量子效应领域的系统总结）
   相关链接：https://mp.weixin.qq.com/s/xUrH1YpWfIxTchpamT0GCA