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近日,，北京理工大學(xué)郭耀課題組提出了一種介觀尺度下的新型滑移鐵電效應(yīng)，并基于該效應(yīng)發(fā)展一種新型的光伏隨機(jī)存儲器,，該器件可同時實(shí)現(xiàn)可見光范圍內(nèi)的感應(yīng)和存儲功能,，并能夠進(jìn)一步在硬件層面構(gòu)建“傳感-計(jì)算-存儲-驅(qū)動”一體化的人工視覺系統(tǒng)。該研究成果于近期發(fā)表于Nature Communications（https://www.nature.com/articles/s41467-022-33118-x）上,。

鐵電效應(yīng)是一百年前由Joseph Valasek發(fā)現(xiàn)的重要物理現(xiàn)象,。鐵電材料在電子器件、能源轉(zhuǎn)換等方面具有重要應(yīng)用,。傳統(tǒng)的鐵電效應(yīng)本質(zhì)上由具有雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的原子晶格所產(chǎn)生,。近日，北京理工大學(xué)郭耀課題組提出一種基于壓電和超潤滑的新型鐵電效應(yīng),，該新型鐵電效應(yīng)不依賴于晶格的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),，而是由正反壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的機(jī)械滑動和電極化所產(chǎn)生。原位表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬表明,，范德華層狀材料中的層間超潤滑性和晶格非對稱性導(dǎo)致的壓電效應(yīng)是構(gòu)成該新型鐵電效應(yīng)的兩個關(guān)鍵因素,。研究人員將這種介觀尺度下由層間范德瓦爾斯超潤滑特性和壓電效應(yīng)共同引起的鐵電效應(yīng)稱為介觀平面內(nèi)滑移鐵電效應(yīng)（mesoscopic in-plane sliding ferroelectricity）。這一新型的鐵電效應(yīng)為構(gòu)建材料體系的可控自發(fā)電極化提供了新思路,。

圖1 WS2 納米線PV-RAM器件（a）器件示意圖（b）器件的光伏響應(yīng)（c）光伏響應(yīng)的可編程性,，（d-f）光伏響應(yīng)的鐵電回滯和存儲

基于這種新型的鐵電效應(yīng)，研究人員對WS2納米管施加外部電壓/電流激勵,，配合WS2納米管恰當(dāng)?shù)慕麕挾?，在可見光法位?nèi)產(chǎn)生光伏響應(yīng)的鐵電回滯（如圖1所示）。WS2納米管的介觀滑移鐵電效應(yīng)使其光伏響應(yīng)具備可編程且不揮發(fā)的光伏特性,，因此是一種天然,、理想的光伏隨機(jī)存取存儲器（photovoltaic random-access memory, PV-RAM）。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用該特性制備了16像素的PV-RAM陣列,，并利用陣列中每個PV-RAM結(jié)構(gòu)單元的光響應(yīng)度（即輸出光電流與輸入光功率的比值）作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的突觸權(quán)重,，通過外部電壓/電流激勵調(diào)節(jié)權(quán)重,，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在硬件層面的嵌入，并成功演示了基于監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)兩種算法的圖像識別功能（如圖2所示）,。這是首次將傳感,、計(jì)算、存儲,、驅(qū)動四種功能集成到基于智能材料的硬件系統(tǒng)中，對于構(gòu)建未來高速,、低功耗甚至自驅(qū)動的智能化物聯(lián)網(wǎng)平臺有著重要的參考意義,。

圖2 嵌入PV-RAM陣列的人工視覺系統(tǒng)演示模型（a）PV-RAM陣列；（b）不同程度背景噪聲下的學(xué)習(xí)精度曲線,；（c）人工視覺系統(tǒng)演示識別“Z”,，“I”，“O”,，“N”英文字母（此處致敬電影Matrix,，Zion為反抗人工智能的人類最后根據(jù)地，亦為《希伯來圣經(jīng)》中的土地象征）,，（d-f）強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程

北京理工大學(xué)碩士研究生孫妍,、徐舒婷（目前就職于芯恩集成電路有限公司），本科生徐柘淇（目前于清華大學(xué)微電子系攻讀研究生）是文章的共同第一作者,。以色列霍隆理工學(xué)院Alla Zak副教授,，北京理工大學(xué)郭耀副研究員為論文的通訊作者。北京理工大學(xué)為第一單位,，合作單位包括以色列魏茨曼科學(xué)研究所,，北京大學(xué)，北京石墨烯研究院和以色列霍隆理工學(xué)院,。