1 工作简介

         ——分子晶体忆阻器

忆阻器作为新一代存算一体与类脑计算的关键硬件基础，凭借高密度存储、可调电导态及潜在能效优势，被视为突破“冯·诺依曼架构”瓶颈的重要候选。其典型工作原理是：在外加电场作用下，活性离子或空位在阻变材料内迁移并发生氧化还原反应，进而形成/断开导电通道实现电阻的高、低可逆切换。当前忆阻器多以原子晶体为阻变材料，活性离子迁移需依赖晶界等缺陷，这不仅导致导电通道形成过程随机，额外能耗高，更在反复开关过程中损伤材料结构，引发器件寿命短、性能退化等问题，严重制约其在大规模类脑计算中的应用前景。

针对上述挑战，华中科技大学翟天佑-李渊团队首次提出了基于无机分子晶体（以Sb₂O₃为代表）的忆阻材料新体系。该研究证实了分子晶体独特的分子间范德华间隙可作为天然离子迁移通道，使活性离子在极低能垒下完成无损迁移，从根本上避免了传统忆阻器中材料损伤与高能耗问题，性能远超当前报道的各类忆阻器，标志着忆阻材料研究的重要范式转变。

与常见的HfO₂、h-BN、MoS₂等原子晶体不同，Sb₂O₃属于典型的无机分子晶体，其基本结构单元是高度对称的Sb₄O₆分子笼。这些分子笼间并非强共价键连接，而是通过范德华力相互作用，天然形成高度均一的分子间隙。实验与理论计算表明，Ag⁺离子在迁移过程中无需打破强共价键，仅克服范德华作用，能垒仅为0.41 eV，远低于原子晶体材料。同时，离子的反复进出只引起分子笼的轻微位移，而不会造成晶格断裂或无序化，从而保证了器件在长期操作下的结构完整性。可以说，Sb₂O₃分子晶体为离子提供了一条高效且安全的“高速公路”，为实现能效比与耐久性兼具的忆阻器开辟了全新的材料途径。

依托这一材料体系，研究团队制备的分子晶体忆阻器展现出一系列突破性性能。该器件的理论极限能耗仅26 zJ，刷新了世界最低纪录。循环耐久性优越，经过超10⁹次循环测试，其结构与性能依然保持稳定，没有出现明显退化，充分验证了分子晶体结构的卓越稳定性。此外，分子晶体忆阻器在同一结构中既能实现非易失性电阻切换，又能表现出易失性阈值切换的可重构性能，从而适配不同计算场景的需求。

在应用层面，研究团队在8英寸晶圆上成功制备了78个1024×1024的大规模交叉阵列（忆阻器数目超8000万），显示出优异的一致性与工业工艺兼容性。研究团队进一步将分子晶体忆阻器集成至硅基晶体管衬底芯片，构建了面向神经形态计算的储备池计算系统。在动态视觉识别任务中，该系统达到了100%的识别准确率，充分证明了分子晶体忆阻器在类脑任务中的应用潜力。

该研究首次将分子晶体材料引入忆阻器研究框架，在能效与可靠性上实现了跨越式提升，并提出了一种通过分子工程调控分子间相互作用，构建稳定且均一离子迁移通道的设计思路。这一全新思路突破了原子晶体忆阻器因缺陷和损伤带来的瓶颈，推动了忆阻器材料研究从“原子晶体”走向“分子晶体”的重大转变。随着更多分子晶体材料的探索与优化，此类忆阻器有望成为能效优先的类脑硬件核心平台，为非冯·诺依曼计算体系的发展提供坚实的材料与器件基础。

相关成果以“分子晶体忆阻器”（Molecular crystal memristors）为题发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。华中科技大学材料学院翟天佑教授和李渊教授为通讯作者，华中科技大学材料学院博士生秦澜浩、关朋飞、硕士毕业生邵解烦为共同第一作者。同期，《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）发表韩国科学技术院院士Tae-Woo Lee等人的评论文章“间隙纳米导电细丝通路降低忆阻器的能耗”（Interstitial nanofilament pathway reduces energy consumption in memristors），评价道：“这项工作在开发节能、可靠且可扩展的忆阻器方面取得了重大进展。作者们利用分子晶体独特的结构特征，为后冯・诺依曼计算架构开辟了一条充满希望的道路。”

2 主要作者简介

共同第一作者

秦澜浩，华中科技大学材料学院材料科学与工程专业博士研究生。

主要从事二维材料忆阻器与存算一体研究，在Nature Nanotechnology、Science Bulletin等国内外顶级期刊发表论文3篇，申请国家发明专利2项。

共同第一作者

关朋飞，华中科技大学材料学院材料科学与工程专业博士研究生。

主要从事忆阻器的设计与应用，在Nature Nanotechnology，Applied Physics Letters，Physical Review Applied等期刊发表论文11篇，申请国家发明专利3项。

共同第一作者

邵解烦，硕士，2024年毕业于华中科技大学材料学院。

主要从事氧化锑忆阻器的构筑及性能研究。

通讯作者

李渊，华中科技大学材料学院教授。国家级青年人才、“华中卓越学者”特聘教授、湖北省“楚天学者”。

主要从事二维光电材料及类脑器件研究，以第一/通讯作者身份在Nature Nanotechnology, Chemical Reviews, Advanced Materials, National Science Review, Science Bulletin, Advanced Functional Materials等期刊发表学术论文70余篇，申请中国/美国/国际专利32项；主持国家重点研发计划课题、基金委联合基金重点项目、湖北省自然科学基金重大项目等；在国内外会议做邀请报告40余次；担任Nano-Micro Letter, Interdisciplinary Materials, InfoMat, Chip, Brian-X等期刊的（青年）编委等学术职务。

通讯作者

翟天佑，华中科技大学材料学院教授。国家杰出青年科学基金获得者。

主要从事二维光电材料与器件研究，以第一/通讯作者在Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nature Electronics, Advanced Materials等期刊上发表论文300余篇。入选中国化学会会士、英国皇家化学会会士和全球高被引学者名录，以第一完成人获2025年度中国材料研究学会科学技术奖一等奖、2024年度湖北省青年科技创新奖、2023年度湖北省自然科学奖一等奖等奖励。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41565-025-02013-z

相关评论文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-025-02014-y