山东大学孟佳琳等综述：可穿戴神经形态计算忆阻器的柔性性能分析研究

研究背景

柔性忆阻器的快速发展极大促进了面向新兴神经形态计算的可穿戴电子技术进步。受人脑“存内计算”架构的启发，柔性忆阻器在模拟人工突触、实现高效率和低功耗神经形态计算方面展现出巨大应用潜力。本文从发展历程、材料体系、器件结构、机械变形方式、器件性能分析、变形过程中的应力模拟，以及神经形态计算应用等角度对柔性忆阻器进行了全面综述。文章系统总结了柔性电子的最新进展，包括单器件、器件阵列和系统集成，并深入探讨了柔性忆阻器在神经形态计算领域所面临的挑战与未来前景，为构建可穿戴智能电子、大规模神经形态计算系统和高阶智能机器人奠定了理论与技术基础。

Mechanical Properties Analysis of Flexible Memristors for Neuromorphic Computing

Zhenqian Zhu, Jiheng Shui, Tianyu Wang & Jialin Meng*

Nano-Micro Letters (2026)18: 2

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01825-x

本文亮点

1. 系统性地总结了柔性忆阻器的材料体系、发展历程、器件结构、应力模拟与应用。

2. 重点强调了机械性能对柔性忆阻器的关键影响，特别关注变形参数与有限元模拟。

3. 文章深入探讨了未来忆阻器在神经形态计算中的应用，为下一代可穿戴电子设备的发展提供了参考。

内容简介

山东大学孟佳琳等人深入探讨了低功耗忆阻器在神经形态计算领域的应用。文章首先系统地介绍了忆阻器的基本概念、工作原理及其作为非易失性存储器的优势特性。随后，重点阐述了低功耗忆阻器在多值存储、数字逻辑门以及神经形态计算等关键领域的应用进展。特别是在神经形态计算方面，文章详细分析了忆阻器在构建人工神经网络 (ANN)、脉冲神经网络 (SNN) 和卷积神经网络 (CNN) 等多种神经网络中的作用机制和优势。文章还探讨了1T1R和1S1R交叉阵列设计在提升忆阻器性能方面的作用，并分析了低功耗忆阻器在这些网络架构中的性能表现。

尽管忆阻器在低功耗神经形态计算中展现出巨大的潜力，文章也指出了目前仍面临的挑战，例如在集成密度和功耗控制方面仍需进一步优化。最后，文章展望了低功耗忆阻器在未来人工智能和内存计算领域，特别是在推动边缘计算和类脑智能发展方面的广阔应用前景，强调了其对于构建下一代高效能计算系统的关键意义。

图文导读

I 柔性忆阻器介绍

图1. 这篇综述总结了柔性忆阻器在材料体系、器件结构、机械变形方式、性能评估、应力模拟及应用等方面的研究进展。材料类型包括三维结构、二维结构、一维结构和零维结构。柔性忆阻器的常见器件结构包括交叉阵列结构、三明治结构和共面结构。柔性电子器件的主要机械变形方式包括拉伸、弯折和扭转。柔性忆阻器的关键性能指标包括开关比和机械柔性。文章还介绍了柔性电子在力集中分析与裂纹形成过程中的模拟研究，并探讨了柔性忆阻器在神经形态计算和传感器系统中的应用。

图2. 材料体系、器件结构、弯折方式以及器件性能。材料类型可分为 a 三维(3D)、b 二维(2D)、c 一维(1D)和 d 零维(0D)。忆阻器的典型结构包括 e 交叉阵列结构、f 三明治结构和 g 共面结构 h 显示了忆阻器的初始状态。柔性忆阻器的常见弯折方式包括 i 扭转、j 拉伸和 k 弯折操作。柔性忆阻器在不同 l 弯折半径、m 弯折周期以及 n 应力/应变条件下的关键性能也进行了对比分析。

II 柔性忆阻器功能层中的不同维度材料

在柔性忆阻器的发展中，不同维度的材料体系展现出各具特色的应用潜力。三维材料包括有机、无机及复合材料，具备良好的机械稳定性和柔性特性，适用于低成本类脑硬件；二维材料如 MoS₂ 和 CdPS₃ 等，具有优异的导电性和可调忆阻行为；一维材料以碳纳米管为代表，兼具高导电性和可纺性，适用于可穿戴纺织神经网络系统；零维材料如量子点，因其量子限制效应和高比表面积，在光控忆阻和高灵敏器件中展现出应用前景。尽管取得显著进展，仍面临工艺兼容性、稳定性和一致性等挑战，需进一步优化材料设计与制备工艺。

图3. 材料类型分为四类：3D、2D、1D和0D。a 柔性薄膜的截面扫描电镜(SEM)图像。b HfO₂/NiO 薄膜的透射电镜(TEM)图像；c 具有有机功能层的柔性扩散型忆阻器；d MoS₂ 的截面透射电镜图像；e MoS₂−NbS₂−NbOₓ 异质结结构示意图；f 基于 CdPS₃ 的忆阻器结构图；g 由碳纳米管组成的人工皮肤结构；h 基于光纤的忆阻器结构，包括 Ag/MoS₂/HfAlOₓ/CNT ；i CNTB-M/CNTT 范德华一维器件结构图；j N-GO 量子点(QDs)的截面 STEM 图像；k 基于 InP/ZnS 量子点的忆阻器示意图；l 基于 CsPbBr₃ 量子点的 LEM 器件的 SEM 图像。

III 柔性忆阻器结构

柔性忆阻器常见的结构包括三明治结构、交叉阵列结构和共面结构。三明治结构由上下电极夹着绝缘层组成，通过调控中间层材料实现可逆的阻变特性，具备结构简单、易于集成、低功耗等优点。交叉阵列结构具备高密度和三维集成能力，可显著提升存储密度和计算并行性，但垂直结构对制备工艺要求较高。共面结构通过电极与功能层的共面排列，便于观测导电细丝的形成机制，常用于忆阻行为机理研究。其他结构如浮栅光突触器件、异质结构忆阻器和基于硅背刻蚀(back-etching silicon)的柔性器件也被用于拓展器件功能和适应复杂应用需求。

图4. 常见的柔性忆阻器结构。

IV 柔性忆阻器的性能

本节主要介绍了柔性忆阻器在弯折、拉伸和扭转三类机械变形，相关机械形变关键参数和其对器件性能的影响，并列举出了一些常见的改进方法，最后给出有限元仿真的应用云图。

图5. 不同的机械形变方式。

以弯折为例，常用评估参数包括弯折次数和弯折半径。弯折次数用于衡量器件在重复变形过程中的耐久性，弯折半径则反映变形程度，半径越小，机械应力越大，对器件性能影响越显著。器件在特定弯折条件下的电学性能可用于验证其柔性可靠性。通过统计不同弯折参数下的性能变化，可进一步分析变形导致的物理机制。在拉伸操作中，变形程度以拉伸百分比表示，即器件拉伸前后长度变化的比例；在扭转操作中，变形程度通过相对于初始状态的扭转角度进行定义，通常在 0 至 180 度之间。动态测试通过在固定变形条件下重复施加应力，分析器件的疲劳演化过程。此外，其他参数可通过应力或应变百分比进行描述，适用于复杂变形场景的性能评估。

图6. 不同的机械形变参数及其对器件的影响。

图7展示了柔性忆阻器在材料掺杂和结构设计上的改进方法，体现了其在降低工作电压、提升稳定性以及增强力学可靠性方面的潜力。

图7. 通过材料掺杂与结构设计提升柔性忆阻器性能的多种策略。

图8展示了柔性忆阻器在不同结构与加载条件下的力学模拟，结果表明合理的结构设计与应力优化有助于降低损伤风险并提升器件在复杂环境下的可靠性，同时也凸显了有限元仿真在机械形变与电学分析中的有效作用。

图8. 不同器件的有限元仿真机械形变云图。

V 柔性忆阻器的应用

图9包括视觉感知计算、手写数字识别、随机数生成和条件反射模拟等功能，表明柔性忆阻器具备突触可塑性和类神经行为的实现能力。

图9. 柔性忆阻器在神经形态计算方面的应用。

图10展示了柔性忆阻器在三维神经网络、图像去噪、手势识别、眼压监测、类神经响应以及织物电子系统中的应用，体现了其在结构设计和多场景集成方面的潜力。

图10. 柔性忆阻器在人工突触和传感器方面的应用。

VI 总结

尽管柔性忆阻器在神经形态计算中展现出广阔前景，但当前仍面临多重技术挑战。在材料方面，低维材料如2D材料、碳纳米管和量子点具备良好的机械柔性和可调电学性能，但在器件集成过程中常出现应力集中、界面不稳定、成分均匀性差等问题，影响器件一致性与可靠性；三维块体材料则在高温兼容性与柔性性能之间难以权衡，限制了其在低温制备与可穿戴系统中的适用性。

在器件结构方面，三明治结构、交叉阵列结构及共面结构等虽各有优势，但在应对弯折、拉伸与扭转等复杂形变时，其力学响应和电学特性仍缺乏系统性评估。文章指出，通过引入有限元模拟对应变分布、应力集中区域和电导通道变化进行预测，有望为器件设计与结构优化提供定量依据。

未来研究应聚焦于材料层级的异质集成、应力调控策略与新型结构设计，提升器件在动态形变过程中的稳定性与低功耗性能；同时，加强仿真建模与实际力学测试的耦合验证，有望实现从材料设计到系统级应用的全链路优化。随着柔性忆阻器在人工突触、人工神经元、CNN/SNN等类脑网络中的持续突破，其将在可穿戴神经形态计算、柔性人工智能系统、智能医疗与软体机器人等前沿领域中发挥不可替代的作用，为构建具备感知、计算与学习能力的一体化柔性智能系统奠定坚实基础。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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