Outstanding magnetic properties are highly desired for two-dimensional ultrathin semiconductor nanosheets. Here, we propose a phase incorporation strategy to induce robust room-temperature ferromagnetism in a nonmagnetic MoS2 semiconductor. A two-step hydrothermal method was used to intentionally introduce sulfur vacancies in a 2H-MoS2 ultrathin nanosheet host, which prompts the transformation of the surrounding 2H-MoS2 local lattice into a trigonal (1T-MoS2) phase. 25% 1T-MoS2 phase incorporation in 2H-MoS2 nanosheets can enhance the electron carrier concentration by an order, introduce a Mo4+ 4d energy state within the bandgap, and create a robust intrinsic ferromagnetic response of 0.25 μB/Mo by the exchange interactions between sulfur vacancy and the Mo4+ 4d bandgap state at room temperature. This design opens up new possibility for effective manipulation of exchange interactions in two-dimensional nanostructures.

Brain-inspired neuromorphic computing has shown great promise beyond the conventional Boolean logic. Nanoscale electronic synapses, which have stringent demands for integration density, dynamic range, energy consumption, etc., are key computational elements of the brain-inspired neuromorphic system. Ferroelectric tunneling junctions have been shown to be ideal candidates to realize the functions of electronic synapses due to their ultra-low energy consumption and the nature of ferroelectric tunneling. Here, we report a new electronic synapse based on a three-dimensional vertical Hf0.5Zr0.5O2-based ferroelectric tunneling junction that meets the full functions of biological synapses. The fabricated three-dimensional vertical ferroelectric tunneling junction synapse (FTJS) exhibits high integration density and excellent performances, such as analog-like conductance transition under a training scheme, low energy consumption of synaptic weight update (1.8 pJ per spike) and good repeatability (>103 cycles). In addition, the implementation of pattern training in hardware with strong tolerance to input faults and variations is also illustrated in the 3D vertical FTJS array. Furthermore, pattern classification and recognition are achieved, and these results demonstrate that the Hf0.5Zr0.5O2-based FTJS has high potential to be an ideal electronic component for neuromorphic system applications.

Abstract Photoelectric synaptic devices could emulate synaptic behaviors utilizing photoelectric effects and offer promising prospects with their high-speed operation and low crosstalk. In this study, we introduced a novel InGaZnO-based photoelectric memristor. Under both electrical and optical stimulation, the device successfully emulated synaptic characteristics including excitatory postsynaptic current (EPSC), paired-pulse facilitation (PPF), long-term potentiation (LTP), and long-term depression (LTD). Furthermore, we demonstrated the practical application of our synaptic devices through the recognition of handwritten digits. The devices have successfully shown their ability to modulate synaptic weights effectively through light pulse stimulation, resulting in a recognition accuracy of up to 93.4%. The results illustrated the potential of IGZO-based memristors in neuromorphic computing, particularly their ability to simulate synaptic functionalities and contribute to image recognition tasks.

Abstract A new type of ferroelectric memory device with high reliability and complementary metal‐oxide‐semiconductor (CMOS) compatibility characteristics is an important condition for achieving integrated memory and computing chips. Here, 3D stacked ferroelectric memory devices based on ferroelectric materials of HfO 2 are fabricated. The device exhibits high speed (50 ns), low read voltage (0.5 V), and great reliability with no substantial degradation after 10 10 cycles and a 10‐years data retention at 85 °C. The IMP and NAND logic are achieved with stable memory window (>200 mV) across the vertical devices’ interconnection. On this basis, combining with the traditional CMOS logic device, multiple combination logic functions containing NOT, AND, and NOR are achieved by simulation. The collaboration of devices in the vertical direction providing the possibility of combining multi‐bit logic in memory functions and paves the way for the implementation of high‐density, high‐reliability, and low‐energy consumption computing‐in‐memory chips compatible with the CMOS technology.

Abstract Hafnium oxide (HfO 2 )‐based devices have been extensively evaluated for high‐speed and low‐power memory applications. Here, the influence of aluminum (Al) and lanthanum (La) co‐doping HfO 2 thin films on the ferroelectric characteristics of hafnium‐based devices is investigated. Among devices with different La/Al ratios, the Al and La co‐doped hafnium oxide (HfAlAO) device with 4.2% Al and 2.17% La exhibited the excellent remanent polarization and thermostability. Meanwhile, first principal analyses verified that hafnium‐based thin films with 4.2% Al and 2.17% La promoted the formation of the o‐phase against the paraelectric phase, providing theoretical support for supporting experimental results. Furthermore, a vertical ferroelectric HfO 2 memory based on 3D macaroni architecture is reported. The devices show excellent ferroelectric characteristics of 22 µC cm −2 under 4.5 MV cm −1 and minimal coercive field of ≈1.6 V. In addition, the devices exhibit great memory performance, including the response speed of device can achieve 20 ns and endurance characteristic can achieve 10 10 cycles.

By design of the element concentration, regulating the ratio of the t phase and the energy difference between t and o phases, the ZrHfOx (ZHO) film demonstrated the highest polarization value at a maximum processing temperature of only 280 °C without an annealing process, and it can withstand over 1010 polarization cycles without breakdown. The ZHO film maintains good ferroelectric performance in extreme temperature environments (4.55 to 473 K). Even under high-temperature conditions, the ZHO film shows exceptional endurance performance (>1010 at 423 K). These parameters represent the best overall performance reported in the literature to date. The polarization switching process can be accurately described by the nucleation limited switching (NLS) model, and the polarization switching time is expected to reach the sub-ns level as the device size decreases. The ZHO film demonstrates great potential in both process simplification and performance optimization, providing new possibilities for the application of ferroelectric devices.