近日，哈工大深圳校区材料科学与工程学院徐成彦教授、集成电路学院秦敬凯副教授团队在低功耗离子型忆阻器件技术及系统集成应用领域取得重要进展，相关成果以《具有取向选择性的准一维硒化铌晶体神经形态忆阻器件及方位识别应用》（Orientation-selective memory switching in quasi-one-dimensional NbSe3 neuromorphic device for omnibearing motion detection）为题发表于材料科学领域顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）。该研究利用预锂化的硒化铌晶体作为平面忆阻器的电阻开关通道，实现了极低变异性的非易失性存储以及晶向相关的各向异性存内电导调制，并集成硬件系统，可用于自动驾驶场景中的全方位运动识别。
类脑神经形态器件将数据存储与处理功能集成于一个单元中，能够满足物联网时代对边缘计算硬件海量实时数据处理能效的需求。作为非易失性存储器的重要代表，忆阻器通过调节离子或缺陷的迁移动力学，如离子源定位和导电路径控制，在内存计算中能够实现多级电阻状态的可重复切换。忆阻器以其高存储密度和低功耗优势，成为人工智能芯片的理想构建单元。然而，目前最先进的忆阻器通常采用垂直集成、双端子交叉结构，这一设计限制了硬件在处理复杂边缘计算场景中时空维度信息的能力。低维范德华晶体被认为是制造平面忆阻器的理想候选材料，其层间间隙为离子迁移或导电丝形成提供了高度受限的空间，有利于实现稳健电阻态调制。利用低对称性范德华晶体中离子迁移能垒的差异，可以进一步在紧凑设计的忆阻器中实现电导的各向异性调制，有望进一步简化面向智能场景应用中的边缘计算硬件。
基于此，研究团队展示了一种基于预锂化准一维硒化铌（NbSe3）晶体的平面各向异性电阻存储开关单元。得益于准一维范德华晶体结构带来的高度对齐扩散通道，沿NbSe3原子链方向制造的忆阻器展现出优异的存储开关行为和卓越的稳定性，尤其是低置位/复位电压（0.4 V/−0.36 V）和极小标准偏差（0.041 V/0.051 V）。与传统电阻开关材料不同，NbSe3晶体中的各向异性离子迁移使电导更新具有显著的取向选择性，表现出与晶体取向相关的模拟型及数字型阻变调制特性。基于平面忆阻器件定制设计集成的神经形态硬件成功实现了面向自动驾驶应用的高准确率（~95.9%）全方位运动识别。这一研究成果为面向边缘计算应用的智能神经形态硬件发展提供了全新的思路，具有广泛的应用前景。
该论文第一完成单位为哈工大深圳校区。哈工大深圳校区秦敬凯、徐成彦和南方科技大学周菲迟为论文通讯作者。哈工大深圳校区博士研究生孙若瑶、南方科技大学硕士研究生侯泽宇、哈工大深圳校区助理研究员陈青为论文共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划等项目支持。
预锂化NbSe3平面各向异性忆阻器件及应用
（a）预锂化 NbSe3 多端忆阻器的取向选择性记忆切换；（b）功能单元的电路图，包括电源模块、光电探测器模块、比较器模块、加法器模块和各向异性忆阻器；（c）前照灯在0°配置下穿过单元时的电流响应模式；（d）平行排列的三个预锂化 NbSe3多端忆阻器光学显微镜图像；（e）陶瓷四方扁平无引线 (CQFN) 载体的图片，其中已经封装了多端忆阻器阵列；（f）集成光电探测器、信号处理电路和忆阻器阵列的定制 PCB 线路板；（g）前照灯在��=15° 配置下穿过集成模块时的示意图，在这种情况下，所有八个光电探测器都会依次激活；（h）运动方向识别神经网络的图示，识别准确率随训练时期的演变以及识别方向和正确运动方向之间的混淆矩阵。
