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  隨著移動智能終端、物聯網、云計算等新信息技術的普及，人們對于從多渠道、多視角獲得的海量信息的存儲需求不斷增加，發展超高密度、超大容量的數據存儲技術已經成為信息產業發展的關鍵。然而，在微電子器件尺寸不斷縮小的進程中，當前主流的硅基浮柵存儲技術在存取速度、可靠性和集成工藝等方面將面臨一系列理論極限和技術上的瓶頸，難以通過平面微縮的方法來持續滿足大數據時代對提高存儲密度的要求（圖1）。

  另一方面，由于當前半導體制程技術的限制，現代計算機系統通常采用分級存儲以及存儲器-處理器分立存在的方式來實現計算性能與計算成本之間的優化平衡。但在不同層級的存儲器間傳輸數據往往會產生明顯的延遲和顯著的能耗；在面對海量數據分析、大型圖像處理以及其他人工智能領域等的應用時，由于信息總量大并且在存儲器中的地址難以預測，計算機需要消耗大量的處理周期來獲取數據，導致其運算能力也受到極大的限制。因此，亟需開發新型電子材料與新原理信息技術，來解決微電子器件面臨的摩爾定律極限以及馮?諾依曼瓶頸等問題。

圖1.（左）硅基半導體尺寸縮小趨勢以及（右）多級存儲結構示意圖

  憶阻器（Memristor）是一種具有電阻的結構（電極/介質/電極）和量綱（歐姆）的新型納米電子器件（圖2）。當在憶阻器兩端施加的電壓超過一定數值時，器件電阻可以發生兩態、多態甚至連續的可逆變化，從而實現單值甚至多值的信息存儲。更為重要的是，利用憶阻器執行可重構的非易失性算數與邏輯操作，在單一器件中原位實現信息存儲與運算的融合，更有望突破長久以來限制計算機實際運行速度的馮?諾依曼瓶頸，這對于簡化計算機架構并提高其運算性能具有重要的意義。而與傳統的無機半導體材料相比，有機聚合物具有優異的機械柔韌性和延展性，并且可以通過印刷和噴墨打印等溶液加工方式實現低成本集成，在面向邊緣計算的柔性芯片中具有得天獨厚的優勢。尤其是有機聚合物的電學性能還可以通過豐富的化學結構設計與合成得到有效調控，從而在分子層面上實現微電子器件的按需定制。

圖2.（左）憶阻器結構、工作原理以及（右）電阻轉變示意圖

  最近，上海交通大學化學化工學院劉鋼研究員與華東理工大學陳彧教授、中國科學院寧波材料所李潤偉研究員以及山西師范大學許小紅教授合作，結合Suzuki偶聯聚合和“Click”點擊化學反應設計合成了一種具有二茂鐵和三苯胺氧化還原雙活性測鏈基團的新型聚芴衍生物PFTPA-Fc材料，并利用其固態三重氧化還原憶阻行為制備了柔性憶阻器原型器件（圖3）。電學性能測試表明該器件在低電壓下分別呈現8態/3值存儲特性和連續的模擬憶阻行為，并可在高電壓下實現兩種特性的自由切換；而原位熒光光譜與二維成像測試則證實PFTPA-Fc在高、低電壓下的憶阻行為分別來自三苯胺和二茂鐵基團的可逆固態電化學氧化還原反應。利用該器件的模擬憶阻行為不僅能夠執行十進制四則算術運算，還可以完成基本的二元布爾邏輯操作，從而在單一聚合物憶阻器中實現多值信息存儲與處理功能的集成，為發展高性能、低功耗的存算一體器件與芯片提供了新的材料體系和理論基礎。

圖3.（a）PFTPA-Fc的結構式、（e）Electrostatic Potential分布、（c）不同阻態下的熒光圖譜、（d）十進制除法與（e）邏輯運算功能

  研究成果近期以《Redox Gated Polymer Memristive Processing-Memory Unit》為題發表于Nature Communications （NCOMMS-18-25620C）。相關工作得到了國家重點研發計劃戰略性先進電子材料專項（2017YFB0405604）、國家自然科學基金優秀青年科學基金項目（61722407）、面上項目（6164153）和中國科學院納米與應用重點實驗室開放課題（18CS01）的經費支持。