journal article·2025

2D van der Waals heterostructure memristors: from band structure regulation to neuromorphic computing applications

Xiao-Fang Luo, Xiao-Bin Guo, Dan Zhang, Qi-Jun Sun, Wen-Hua Li, Yan-Ping Jiang, Xin-Gui Tang

Materials Horizons· Volume 12· Issue 18
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Abstract

Two-dimensional (2D) materials and their van der Waals heterostructures (vdWHs) have shown tremendous potential in the fields of memristors and neuromorphic computing due to their unique band structures and tunable physical properties. This paper reviews the band structures of 2D vdWHs, as well as the mechanisms for their regulation, and discusses the impact of preparation methods such as wet and dry transfer on the interfaces of heterojunctions. On this basis, it delves into the switching mechanisms of memristors based on vdWHs, including the conductive filament model, charge trapping and release, and interfacial barrier modulation. Furthermore, the review focuses on the applications of vdWH memristors in neuromorphic synapses, such as optoelectronic synapses, artificial vision, ferroelectric effect regulation, logical circuit design, and reservoir computing. These applications not only promote the development of neuromorphic computing but also provide new solutions for the next generation of low-power, high-integration artificial intelligence hardware. Finally, the review summarizes the current research challenges and future development directions, offering theoretical guidance and technical prospects for memristors based on 2D vdWHs and their applications in neuromorphic computing.
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Research context

OpenAlex topics: Advanced Memory and Neural Computing · 2D Materials and Applications · MXene and MAX Phase Materials

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Guangdong Provincial Key Laboratory of Sensing Physics and System Integration Applications, Guangdong University of Technology, Guangzhou Higher Education Mega Center, Guangzhou 510006, China

School of Physics & Optoelectronic Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou Higher Education Mega Center, Guangzhou 510006, China

Funding

National Natural Science Foundation of China · Basic and Applied Basic Research Foundation of Guangdong Province

References (100+)

Show source-provided references
1. Joseph · Mater. Chem. Phys. · 2023 · 297 · 12733210.1016/j.matchemphys.2023.127332 ↗
2. Das · Annu. Rev. Mater. Res. · 2015 · 45 · 110.1146/annurev-matsci-070214-021034 ↗
3. van der Zande · Nat. Mater. · 2013 · 12 · 55410.1038/nmat3633 ↗
4. Li · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 750910.1038/ncomms8509 ↗
5. Viti · Adv. Mater. · 2015 · 27 · 556710.1002/adma.201502052 ↗
6. Penumatcha · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 894810.1038/ncomms9948 ↗
7. Perello · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 780910.1038/ncomms8809 ↗
8. Srivastava · Nat. Nanotechnol. · 2015 · 10 · 49110.1038/nnano.2015.60 ↗
9. Fei · Nat. Phys. · 2017 · 13 · 67710.1038/nphys4091 ↗
10. Huang · Nat. Commun. · 2020 · 11 · 245310.1038/s41467-020-16266-w ↗
11. Zhou · Adv. Mater. · 2021 · 33 · 200455710.1002/adma.202004557 ↗
12. Yan · J. Mater. Chem. C · 2020 · 8 · 492610.1039/D0TC00316F ↗
13. Liu · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2018 · 10 · 2023710.1021/acsami.8b04685 ↗
14. Nagareddy · ACS Nano · 2017 · 11 · 301010.1021/acsnano.6b08668 ↗
15. Dong · J. Mater. Sci. · 2014 · 49 · 676210.1007/s10853-014-8370-5 ↗
16. Shen · J. Mater. Sci. · 2020 · 55 · 1431510.1007/s10853-020-04977-w ↗
17. Xiao · Adv. Electron. Mater. · 2023 · 9 · 230038810.1002/aelm.202300388 ↗
18. Datye · Nano Lett. · 2020 · 20 · 146110.1021/acs.nanolett.9b05272 ↗
19. Yan · Small · 2019 · 15 · 190142310.1002/smll.201901423 ↗
20. Gao · Chem. Mater. · 2020 · 32 · 170310.1021/acs.chemmater.9b04408 ↗
21. Halim · Adv. Funct. Mater. · 2016 · 26 · 311810.1002/adfm.201505328 ↗
22. Wang · J. Mater. Sci. · 2022 · 57 · 491510.1007/s10853-022-06954-x ↗
23. Roy · Adv. Mater. · 2021 · 33 · 210158910.1002/adma.202101589 ↗
24. Chen · IEEE Electron Device Lett. · 2019 · 40 · 168610.1109/LED.2019.2936261 ↗
25. Wang · Appl. Phys. Lett. · 2019 · 115 · 19350310.1063/1.5115531 ↗
26. He · Nanoscale · 2020 · 12 · 38010.1039/C9NR07941F ↗
27. Sarney · Mater. Today Nano · 2023 · 24 · 10037810.1016/j.mtnano.2023.100378 ↗
28. Feng · Adv. Electron. Mater. · 2019 · 5 · 190074010.1002/aelm.201900740 ↗
29. Chen · Mater. Sci. Semicond. Process. · 2025 · 188 · 10920310.1016/j.mssp.2024.109203 ↗
30. Khot · Small · 2024 · 20 · 240079110.1002/smll.202400791 ↗
31. Liu · Mater. Horiz. · 2024 · 11 · 49010.1039/D3MH01461D ↗
32. Jang · Adv. Sci. · 2022 · 9 · 220111710.1002/advs.202201117 ↗
33. Govoreanu · IEEE Electron Device Lett. · 2014 · 35 · 6310.1109/LED.2013.2291911 ↗
34. Yang · Mater. Today Electron. · 2025 · 11 · 10013310.1016/j.mtelec.2024.100133 ↗
35. Xu · Mater. Horiz. · 2024 · 11 · 542910.1039/D4MH00716F ↗
36. Lai · Mater. Horiz. · 2024 · 11 · 288610.1039/D4MH00064A ↗
37. Zhang · Chem. Commun. · 2014 · 50 · 1185610.1039/C4CC04696J ↗
38. Krishnan · Adv. Mater. · 2016 · 28 · 64010.1002/adma.201504202 ↗
39. Yang · Adv. Funct. Mater. · 2020 · 30 · 200451410.1002/adfm.202004514 ↗
40. Park · Sci. Rep. · 2024 · 14 · 692210.1038/s41598-024-57642-6 ↗
41. Xu · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 901110.1038/s41467-024-53268-4 ↗
42. Zhou · Commun. Mater. · 2025 · 6 · 8310.1038/s43246-025-00803-5 ↗
43. Yi · J. Mater. Chem. A · 2015 · 3 · 1170010.1039/C5TA00252D ↗
44. Magda · Sci. Rep. · 2015 · 5 · 1471410.1038/srep14714 ↗
45. Li · Adv. Mater. · 2019 · 31 · 190243110.1002/adma.201902431 ↗
46. Zhan · Small · 2012 · 8 · 96610.1002/smll.201102654 ↗
47. Huang · Nanoscale · 2014 · 6 · 1279210.1039/C4NR04228J ↗
48. He · Adv. Mater. · 2024 · 36 · e231099910.1002/adma.202310999 ↗
49. Seredyński · Cryst. Growth Des. · 2021 · 21 · 577310.1021/acs.cgd.1c00673 ↗
50. Low · Carbon · 2013 · 54 · 110.1016/j.carbon.2012.11.030 ↗
51. Fang · J. Mater. Chem. A · 2019 · 7 · 2569110.1039/C9TA10487A ↗
52. Liu · Nat. Electron. · 2025 · 8 · 13510.1038/s41928-025-01340-2 ↗
53. Quellmalz · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 91710.1038/s41467-021-21136-0 ↗
54. Ly · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1042610.1038/ncomms10426 ↗
55. Kang · Nature · 2017 · 550 · 22910.1038/nature23905 ↗
56. De Fazio · ACS Nano · 2019 · 13 · 892610.1021/acsnano.9b02621 ↗
57. Zaretski · Nanoscale · 2015 · 7 · 996310.1039/C5NR01777G ↗
58. Schneider · Nano Lett. · 2010 · 10 · 191210.1021/nl1008037 ↗
59. Gao · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 856910.1038/ncomms9569 ↗
60. Yang · Adv. Funct. Mater. · 2019 · 29 · 190242710.1002/adfm.201902427 ↗
61. Leon · Graphene · 2014 · 03 · 2510.4236/graphene.2014.33005 ↗
62. Fan · 2D Mater. · 2020 · 7 · 02200510.1088/2053-1583/ab7629 ↗
63. Huang · J. Phys. Chem. Lett. · 2023 · 14 · 1018110.1021/acs.jpclett.3c01683 ↗
64. Tang · Acc. Mater. Res. · 2020 · 2 · 3610.1021/accountsmr.0c00063 ↗
65. Castellanos-Gomez · 2D Mater. · 2014 · 1 · 01100210.1088/2053-1583/1/1/011002 ↗
66. Wang · Science · 2013 · 342 · 61410.1126/science.1244358 ↗
67. Zheng · Nano Lett. · 2019 · 19 · 721710.1021/acs.nanolett.9b02824 ↗
68. Yamaoka · Adv. Funct. Mater. · 2018 · 28 · 180102110.1002/adfm.201801021 ↗
69. Liu · Laser Photonics Rev. · 2022 · 16 · 220033810.1002/lpor.202200338 ↗
70. Wu · Nat. Commun. · 2019 · 10 · 466310.1038/s41467-019-12707-3 ↗
71. Huang · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 248310.1021/acs.jpclett.5b00976 ↗
72. Zhou · Micro Nanostruct. · 2024 · 192 · 20788010.1016/j.micrna.2024.207880 ↗
73. Gao · Mater. Today Commun. · 2023 · 35 · 10595910.1016/j.mtcomm.2023.105959 ↗
74. Zeng · Adv. Funct. Mater. · 2024 · 34 · 240071210.1002/adfm.202400712 ↗
75. Singh · EcoMat · 2023 · 5 · e1233310.1002/eom2.12333 ↗
76. Chen · 2D Mater. · 2024 · 12 · 01501010.1088/2053-1583/ad8938 ↗
77. Tan · ACS Nano · 2021 · 15 · 832810.1021/acsnano.0c09593 ↗
78. Fan · ACS Nano · 2019 · 13 · 819310.1021/acsnano.9b03342 ↗
79. Chen · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 403010.1038/s41467-021-24296-1 ↗
80. Balapure · RSC Appl. Interfaces · 2024 · 1 · 4310.1039/D3LF00126A ↗
81. Hou · J. Mater. Chem. C · 2024 · 12 · 1672210.1039/D4TC02854F ↗
82. Shen · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2024 · 16 · 5880210.1021/acsami.4c10486 ↗
83. Chua · IEEE Trans. Circuit Theory · 1971 · 18 · 50710.1109/TCT.1971.1083337 ↗
84. Strukov · Nature · 2008 · 453 · 8010.1038/nature06932 ↗
85. Xia · Nat. Mater. · 2019 · 18 · 30910.1038/s41563-019-0291-x ↗
86. Schroeder · Microelectron. Eng. · 2007 · 84 · 198210.1016/j.mee.2007.04.042 ↗
87. Waser · Nat. Mater. · 2007 · 6 · 83310.1038/nmat2023 ↗
88. Wang · ACS Appl. Electron. Mater. · 2024 · 6 · 431110.1021/acsaelm.4c00397 ↗
89. Huang · Adv. Sci. · 2023 · 10 · 230281310.1002/advs.202302813 ↗
90. Lai · Adv. Mater. · 2023 · 35 · 220866410.1002/adma.202208664 ↗
91. Zhang · Nat. Mater. · 2019 · 18 · 5510.1038/s41563-018-0234-y ↗
92. Liu · Adv. Funct. Mater. · 2023 · 34 · 230964210.1002/adfm.202309642 ↗
93. Yang · Nat. Nanotechnol. · 2013 · 8 · 1310.1038/nnano.2012.240 ↗
94. Jiang · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 1082210.1038/s41467-024-55160-7 ↗
95. Li · Nat. Electron. · 2023 · 6 · 49110.1038/s41928-023-00984-2 ↗
96. Lu · Nano Lett. · 2021 · 21 · 880010.1021/acs.nanolett.1c03169 ↗
97. Tong · Nano Lett. · 2023 · 23 · 992810.1021/acs.nanolett.3c02888 ↗
98. Gao · Nano Energy · 2022 · 91 · 10665910.1016/j.nanoen.2021.106659 ↗
99. Park · Nanomaterials · 2020 · 10 · 8810.3390/nano10010088 ↗
100. Pan · ACS Mater. Lett. · 2021 · 3 · 23510.1021/acsmaterialslett.0c00531 ↗