共价有机框架（COFs）因其优异的稳定性、分子设计灵活性和可调节的多孔结构，已成为制备高性能忆阻器的理想候选材料。然而，COF忆阻器的开发却一直面临着结构无序性和薄膜质量难以控制等方面的挑战，严重阻碍了其在阻态切换过程中对活性金属离子迁移的有效调控。华中科技大学翟天佑、李渊、池小东等与武汉理工大学人工智能与计算机学院胡文华等合作，开发了一种基于共价有机框架的高性能忆阻器。通过创新型的表面引发聚合策略，成功合成了高质量、长程有序、亚胺连接的二维COF_TP-TD薄膜。COF_TP-TD薄膜中长程有序的一维纳米通道促进了导电丝的稳定和定向生长，并通过亚胺键与导电丝的配位效应进一步强化该优势。基于此，所制备的COF_TP-TD忆阻器展现出卓越的多级非易失性阻变性能，其开关比高达10⁶，保持时间长达2.0 × 10⁵ s，是目前报道的多孔有机聚合物（POP）忆阻器中性能最好的之一。此外，该器件在波形数据识别任务中展现92.17%的高准确率，可与软件的识别效果相媲美，凸显了其在高级信号处理任务中的应用潜力。本研究为开发高性能的COF忆阻器奠定了坚实基础，并极大地拓展了其在实际神经形态计算中的应用前景。

当前冯·诺依曼架构中存储单元和计算单元的物理分离，无法满足信息时代和智能时代下数据洪流与算力需求的日益增长。受人类大脑神经系统启发的神经突触器件，通过采用存算一体架构来提高数据处理速度和计算能效，从而实现了范式转变。忆阻器因其高度并行化和快速的计算能力，被认为是未来实现存算一体架构最有希望的候选者。忆阻器阻态切换行为的上下限主要取决于阻变材料的本征特性，目前，阻变材料的研究焦点集中在金属氧化物、二维材料和有机材料上。特别是有机材料，由于其具备柔性可穿戴、调节灵活、环境友好以及低成本等突出优势，在智能穿戴和柔性电子领域有巨大应用潜力。

共价有机框架是一类新兴的多孔有机聚合物，由于其具有结构可调、高化学稳定性和易功能化修饰等特点，在忆阻器领域有着巨大的应用潜力。COFs在忆阻器中的首次应用就实现了较为优异的阻变性能，并被证明在高性能数据存储领域有着巨大的应用潜力。最近基于分子内电荷转移效应、构建供体-受体（D-A）系统和建立内置电场等策略被提出用于有效提升COF忆阻器的阻变性能。尽管COFs在忆阻器领域已经取得了巨大的进步，但在同时构建高开关比、长保持时间和多级存储的忆阻器方面仍存在很大的挑战。这主要是由于传统的COFs薄膜通常含有缺陷，其在阻态切换过程中会捕获活性金属离子，降低了器件的高阻态（HRS）电阻值，从而无法有效提高开关比。此外，一维纳米通道的长程有序性对活性金属离子的迁移速度和导电丝的有序稳固生长至关重要，从而影响保持时间等性能指标。为克服上述瓶颈，必须在COFs薄膜的设计和合成方面取得突破，从而有效优化COF忆阻器的阻变性能。

本文提出了一种表面引发聚合（SIP）策略，用于合成高质量、长程有序、亚胺连接的二维COF_TP-TD薄膜。长程有序的一维纳米通道以及亚胺键与导电丝的配位，有效促进了导电丝的稳定和均匀生长，从而显著提高了器件的阻变性能。基于此，所制备的Ag/COF_TP-TD/ITO忆阻器表现出优异的非易失性多级阻变性能，实现了高达10⁶的开关比和长达2.0 × 10⁵ s的保持时间，这代表了POP忆阻器在性能优化方面取得的重大进展。此外，本文研究了导电丝在器件内的形成过程和空间分布，并结合器件的电流输运机制，证实了其阻态切换是由银导电丝的形成和溶解导致的。此外，本文研究创新性地利用COF_TP-TD忆阻器的突触可塑性进行高精度波形数据识别，实现了92.17%的高准确率，识别精度可与软件相当。该研究凸显了COF_TP-TD忆阻器作为多功能器件在神经形态计算和下一代人工智能领域的巨大应用潜力。

图1. 二维COF_TP-TD薄膜合成、忆阻器制造和语音识别应用示意图：（A）通过SIP策略在ITO衬底上合成二维COF_TP-TD薄膜。（B）COF_TP-TD忆阻器的结构示意图。（C）银离子在一维纳米通道中的定向迁移。（D）COF_TP-TD忆阻器用于运动方向的语音识别。

图2. COF_TP-TD粉末和薄膜材料的表征：（A）二维COF_TP-TD薄膜、COFTP-TD粉末及其单体TP和TD的傅立叶变换红外光谱。（B）二维COF_TP-TD薄膜和COF_TP-TD粉末的拉曼光谱。（C）二维COF_TP-TD薄膜的XPS N 1s光谱。（D）二维COF_TP-TD薄膜的PXRD图谱。（E）二维COF_TP-TD薄膜的HAADF-STEM图像。（F）二维COFTP-TD薄膜在ITO衬底上的原子力显微镜图像。

图3. ITO/COF_TP-PD/Ag忆阻器的阻变特性：（A）在限流为500 μA下COF_TP-PD忆阻器的100个典型非易失性I-V曲线的循环，插图为器件的光学显微镜图片。（B）从100个循环周期中提取的V_SET和V_RESET直方分布图。（C）从100个循环周期中提取的HRS和LRS的累计概率图。（D）器件保持性测试。（E，F）器件置位和复位过程的操作速度。（G）不同限流下器件的非易失性I-V曲线。（H）器件间非易失性阻变性能的变化。（I）比较本工作与最近报道POP忆阻器的保持性和开关比。

图4. ITO/COF_TP-TD/Ag忆阻器阻变机制的揭示：（A）COF_TP-TD忆阻器的能级图和载流子转移过程。（B）在正电压扫描下COF_TP-TD忆阻器的双对数I-V关系图。（C）COFTP-TD忆阻器在置位操作后的C-AFM图像。（D）COF_TP-TD忆阻器在LRS时的HAADF-STEM截面图。（E）COF_TP-TD忆阻器中银原子的HAADF-STEM图像。（F）P1处的EDS元素线扫描分析。（G）COFTP-TD忆阻器横截面的HAADF-STEM图像和元素分布图。

作者简介

翟天佑

华中科技大学二级教授、博士生导师；国家杰青，万人计划科技创新领军人才，中国化学会会士，获得了2023年度湖北省自然科学奖一等奖、2024年度湖北青年科技奖等。长期从事低维无机光电功能材料和微纳器件方面的研究工作，以第一/通讯作者在Nat. Mater.、Nat. Electron.、Chem. Rev.、Adv. Mater. 等期刊发表论文500余篇，授权专利40余项，担任InfoMat、Sci. Bull. 期刊副主编，无机化学学报、高等学校化学学报等期刊编委。

池小东

华中科技大学教授、博士生导师；国家海外高层次人才青年项目入选者，湖北省高层次人才项目入选者。主要从事功能超分子材料在能源与环境（储能材料、绿色电池材料及超分子吸附分离材料）等领域的应用研究，2010年至今已在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Chem.、Nat. Commun.、Chem. Rev. 等国际核心化学期刊上发表超分子化学相关SCI论文60多篇。

李  渊

华中科技大学教授，博士生导师。国家海外高层次人才计划青年项目入选者。主要研究方向为二维神经电子材料及类脑计算器件，在Adv. Mater.、Chem. Rev.、Natil. Sci. Rev.、Sci. Bull.、Adv. Funct. Mater. 等期刊发表学术论文80余篇，申请/授权专利20余项。

胡文华

武汉理工大学计算机与人工智能学院副教授，硕士生导师。主要研究方向为基于机器学习、存算一体的神经网络算法。

霍  达

华中科技大学材料科学与工程学院硕士研究生，主要研究方向为二维半导体材料制备和新型忆阻器设计及应用。

张  杰

华中科技大学材料科学与工程学院博士研究生，主要研究方向为新型共价有机框架材料的合成及其应用。