清华新闻网10月10日电 忆阻器自理论提出与实验实现以来，一直被视为神经形态计算和非冯·诺依曼架构的变革性元件。随着摩尔定律持续推进，忆阻器的横向尺寸已逼近金属材料的物理极限。近年石墨烯边缘（0.34 nm）与MoS2晶界（0.4 nm）的场控能力得到验证，使其成为原子级忆阻器电极的首选，然而利用此类电极实现极限尺寸忆阻器仍是未解难题。
针对上述挑战，清华大学集成电路学院田禾副教授、任天令教授研究开发了一种几何定义交叉电极面积仅为0.34×0.34 nm²的埃米级石墨烯边缘忆阻器。该工作的核心是一种基于应力分布调控的湿法对准转移技术，通过PMMA支撑层与AZ601光刻胶图案化应力缓冲层构成的双层胶体系，将石墨烯在干燥过程中的撕裂位置引导至平台区域而非台阶侧壁，从而在300 nm至3μm高度范围内的光滑垂直侧壁上实现石墨烯的完整贴合转移，并抑制了传统转移常见的气隙现象。相关成果以“面向低功耗概率计算的应力工程调控0.34 nm石墨烯忆阻器”（Stress-engineered 0.34 nm graphene memristors for low-power probabilistic computing）为题，于近日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。
图1. 几何定义交叉电极面积为0.34×0.34 nm²的忆阻器与其他代表性忆阻器结构的比较
(a)传统忆阻器示意图；(b)电极尺寸2 nm×2 nm的超窄Pt电极忆阻器示意图；(c)电极尺寸6 nm×6 nm的碳纳米管电极忆阻器示意图；(d)本工作提出的0.34 nm×0.34 nm石墨烯电极忆阻器示意图；(e)采用不同电极材料的物理电极面积对比；(f)不同电极尺寸下忆阻器导电细丝生长的蒙特卡洛模拟及其机理，白色区域为SiO2，黄色区域为石墨烯，蓝色区域为HfO2，紫色区域代表氧空位。
图2.垂直石墨烯完整转移的工艺示意与结果
图3.垂直石墨烯电极的制备与性能验证
图4.埃米级忆阻器的完整制备与表征
图5.埃米级忆阻器的统计基准比较
图6.基于埃米级忆阻器的概率比特（p-bit）架构演示
本工作基于3.4 Å单层石墨烯边缘电极，实现了几何定义交叉电极面积为0.34×0.34 nm²的埃米级忆阻器，在保持功能完整性的同时将忆阻器尺寸推进至原子尺度。基于应力分布调控的湿法转移技术解决了二维材料在光滑垂直侧壁上完整转移这一长期难题，与CMP及晶圆级键合相结合，形成了一套可与标准晶圆工艺兼容的垂直石墨烯电极集成流程。所得器件开关比超过10³并呈现易失性，在p-bit计算系统中展示了显著的低功耗潜力。研究团队在当前器件在1cm×1cm切割芯片上完成验证，尚未构成全晶圆均匀性或高产量的实验证明。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-77789-2
供稿：集成电路学院
编辑：李华山
审核：王晓霞
