基于铁电隧道结类生物突触忆阻器的记忆力固化研究

Our project will focus on synaptic plasticity and memory solidification in ferroelectric tunnel memristor. The ferroelectric films and the ferroelectric tunnel memristor (FTM) are fabricated by MBE, PLD, and magnetron sputtering etc. technique. Through I-V test and CFM analysis, the tunnel current modulated by polarization reversal is researched. The memristive behavior in FTM and its micro-mechanism, structural evolution of domain, evolution of interface barrier, the relaxation of memristor, and the retention properties are researched. A single electrical pulse model was used to investigate long-term potential (LTP) and long-term depression (LTD) behaviors of the FTM. The relationship is analyzed between nucleation or relaxation of domain and STM to LTM transition. The memory solidification in FTM is researched. The integration of computing and storage in FTM is researched by the change of synaptic weight realizing athematic.

本课题拟研究铁电隧道结忆阻器类生物突触性能及记忆力固化行为。通过激光分子束外延、脉冲激光沉积等薄膜技术制备铁电外延薄膜并构造铁电隧道结忆阻原型器件，利用I-V测试、PFM、CFM等手段详细研究铁电薄膜极化翻转调控电子量子隧穿的特性，对铁电隧道结忆阻行为及其产生的微观机制、系统状态量随外场加载历史的变化、铁电畴结构演变、界面势垒的演化、忆阻弛豫行为、忆阻现象中稳定性问题等方面进行深入分析、研究。通过电脉冲调制在铁电隧道结上实现生物突触学习和记忆的长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）等性能，分析铁电畴核的成核长大以及弛豫行为与生物突触中的STM及LTM过程的联系，研究铁电隧道结中记忆力固化行为。依赖突触权重变化量进行加减乘除的运算，进行铁电隧道结的运算与存储相融合的研究。

铁电隧道结是一类创新的纳米电子学器件。一方面，铁电极化翻转能够引起静电势和界面势垒的改变，从而对铁电隧道结的输运行为进行调控。另一方面，铁电隧道结也是一类重要的忆阻器，它能够通过电调控铁电畴结构来获得电阻状态的连续可调。这使得铁电隧道结在人工认知神经科学领域有重要的应用。在本项目研究中，我们基于钛酸钡铁电隧道结忆阻器构建了一类人工认知器件，它能够依据“认知神经科学”原理，处理诸如字符等的数据信息。本项目研制的铁电隧道结的隧穿电致电阻达到1000，且具有良好的重复性。针对铁电隧道结忆阻器中存在的稳定性问题，我们分别研究了铁电隧道结的忆阻弛豫行为中铁电畴结构、界面势垒随时间的演化规律，并从畴结构角度出发提出了铁电隧道结记忆力固化的方法。在此基础上，我们采用铁电隧道结模拟了突触可塑性，并且利用其突触长时程增强与长时程抑制行为执行了加、减法的运算操作；根据“认知神经科学”原理，实现了类脑信息处理过程中的“编码运算”、“训练”、“记忆固化”以及“信息取回”等关键环节。这些研究为发展基于铁电隧道结的、低功耗的人工认知器件和类脑计算提供了新方案。