Adv. Funct. Mater.: Ag團簇摻雜TiO2薄膜憶阻器用作神經計算的人工突觸

【引言】

傳統的數字電腦在計算過程中要經歷提取、解碼、執行命令等復雜過程，不可避免地遭遇馮·諾依曼瓶頸，因此構筑新型的計算結構十分重要。大腦基于儲存和計算先天性的融合，可以高效地處理復雜的任務，因此仿神經的電子突觸具有構建高效腦啟發計算系統的潛力。憶阻器是基于生物突觸原則設計的，是可以實現儲存和計算的人工突觸，被認為是突破傳統馮·諾依曼瓶頸的關鍵器件，然而傳統的憶阻器難以連續適應電導的變化和忠實地模擬生物突觸的功能。因此，新型高性能記憶電阻的制備至關重要。

【成果簡介】

近日，河北大學閆小兵副教授、中科院微電子所劉琦研究員、新加坡國立大學劉向陽教授(共同通訊作者)等人在Adv. Funct. Mater.發表了題為“Memristor with Ag-Cluster-Doped TiO₂ Films as Artificial Synapse for Neuroinspired Computing”的研究論文，報道了一種自組裝Ag團簇梯度摻雜的TiO₂(Ag/TiO₂:Ag/Pt)膜，能夠大大提升憶阻器電阻緩變的性能。所制備的憶阻器能夠模擬生物突觸的激活和抑制過程，例如在正/負脈沖下表現出逐漸增強/降低的電導。而且，該器件能夠成功模仿生物突觸的學習和計算功能，例如短時記憶(STM)向長時記憶(LTM)的轉變、長時增強和降低(LTP和LTD)、尖峰時間相關的突觸可塑性(STDP)和雙脈沖易化(PPF)。施加的幾百納秒脈寬的脈沖實現器件的學習工程，意味著器件具備非常快的學習和計算速度。上述結果顯示，Ag團簇摻雜的氧化物具有模仿生物突觸行為的潛力，對進一步制備人工神經系統意義非凡。

【圖文導讀】

圖1 Ag/TiO₂:Ag/Pt的記憶電阻行為

(a)軸突(突觸前膜)和樹突(突觸后膜)間突觸塑性調控的示意圖；

(b)I-V曲線的正、負部分分別表示生物突觸的由低而高和由高而低的電導；

(c)脈沖模式對電導的調制；

(d)電導調制的重復性能；

(e)施加電壓為±ν₀sin²(ω₀t)，其中ν₀是施加電壓的大小(1.5V)，ω₀是頻率(2MHz)；

(f-g)分別為AC模型和DC模型模式。

圖2 ON狀態下Ag/TiO₂:Ag/Pt憶阻器的HRTEM和EDS結果

(a) Ag/TiO₂:Ag/Pt器件的HRTEM圖；

(b)圖(a)所對應的明場STEM圖；

(c)圖(a)中選區的晶向是Ag(002)；

(d)Ag和Pt的元素分布圖。

圖3 Ag/TiO₂:Ag/Pt和Ag/TiO₂/Pt器件的電導機理

(a-b)分別為Ag/TiO₂:Ag/Pt和Ag/TiO₂/Pt器件典型的I-V曲線；

(c)圖(a)中紅色部分的I-V曲線可擬合為隧穿機制；

(d)圖(b)中紫色部分I-V曲線的擬合結果是SCLC電導機制。

圖4 不同參數的正/負雙向脈沖激活/抑制突觸

(a-b)正/負脈沖幅值大小對電導調制的影響；

(c-d)正/負脈沖寬度對電導調制的影響；

(e-f)正/負脈沖間隔對電導調制的影響。

圖5 尖峰時間相關的突觸可塑性的實驗結果

(a-b)反對稱Hebbian學習型理論和反對稱反Hebbian學習型理論；

(c-d)雙脈沖易化。

圖6 不同電流和反復刺激誘導的STP→LTP轉變

(a)心理學上的人類“遺忘曲線”的突觸重量變化的趨勢；

(b)反復刺激實現STM向LTM的轉變。

【小結】

本文通過共濺射鍍膜的方式制備自組裝Ag團簇摻雜的TiO₂膜憶阻器，有效強化了憶阻器的性能。所制備的Ag/TiO₂:Ag/Pt膜憶阻器能夠完全模擬生物突觸的激活和抑制過程，并且成功模仿突觸的學習和記憶功能。該新型憶阻器可用作仿神經計算系統中的電子突觸，有望突破馮·諾依曼瓶頸。

文獻鏈接：Memristor with Ag-Cluster-Doped TiO₂ Films as Artificial Synapse for Neuroinspired Computing?(Adv. Funct. Mater., 2017，DOI:?10.1002/adfm.201705320)

【通訊作者簡介】

閆小兵，河北大學電子信息工程學院副教授，目前致力于存儲器及神經形態器件研究。課題組由2名教授、1名副教授、2名博士、15名碩士生組成。目前主持國家自然科學基金面上項目和青年項目各 1 項以及省優秀青年基金、省自然基金面上、留學人員科研啟動擇優資助等項目。曾參與國家“863 計劃”項目課題“固體電解質納米相變存儲器研制”和“高密度存儲與磁電子材料關鍵技術”等項目。以第 1 作者(或通信作者)發表在 Advanced Functional Materials, Small，Nano Research，Journal of Materials Chemistry C，Applied Physics Letters、 IEEE Transactions on Electron Devices及其他雜志英文上的 SCI 論文 31 篇。以第一發明人獲國家發明專利授權 8 項。參與撰寫《新型阻變存儲技術》專著1部，由科學出版社出版。獲評河北省三三三人才、高校拔尖青年等稱號。

感謝閆小兵副教授對本文的斧正及對材料人編輯部的指導！

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

材料人網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試、數據分析，上測試谷！