界面调控对氧化物基忆阻器动态电学行为的影响及其神经突触仿生研究

The resistance of memristive device can be dynamically tuned with the current flew it, which shows the highly similar transmission characteristic with the synapse in biology. Thus, the study of synaptic device using memristive device has attracted great interest. However, the research on memristors is still at the preliminary stage presently. This project would start the study from the interface modulation of bi-layer memristive device, we plan to tune the oxygen ions migration rate and the electrical field by using several methods such as the processing of gaseous ions and the introducing of metal nanocrystals. And we also plan to study and tune the effect of these interface parameters on the dynamic electrical properties of memristive device (the change of resistance, the decay of current, the dependency of spike rate, non-volatile/volatile memory, and so on). We plan to characterize the microscopic properties of the interface of memristive device by using microscopic techniques (TEM, XPS, SIMS, CAFM), and to research the micro-mechanism of memeristiv device. Based on these study, the synaptic device and several basic learning/memory functions would be researched using memristive device for enhancing its accuracy. It is expected to establish the relationship of dynamic electrical properties, micro-mechanism and synapse emulation, and to provide one new research idea for improving adjustability of memristive device and the accuracy of synapse emulation.

忆阻器件阻值能够随流经器件的电荷而发生动态变化，此特性与神经突触可塑性有高度的相似性，因此利用忆阻器实现对神经突触学习记忆功能的仿生模拟成为了研究热点。目前忆阻器研究尚处于起步阶段。本课题拟由双层忆阻器件的界面调控入手，利用气体离子表面处理、嵌入金属纳米晶等多种界面处理方法调制界面区域的氧离子迁移率及电场影响，研究各种因素对忆阻器件各种动态电学行为（阻值变化、弛豫过程、频率依赖性、非易失性/易失性记忆）的影响及调控。利用TEM、XPS、SIMS，CAFM等技术对界面进行微观表征，并探究器件微观物理机制。基于稳定、可调的忆阻行为，利用忆阻器对神经突触多种基本学习/记忆功能进行仿生模拟，从而提升突触仿生模拟的准确性。本课题有望通过界面调控深入探究忆阻器动态电学行为、微观物理机制及其神经突触仿生三者之间的关系，为构建准确、可控的忆阻器件及其神经突触仿生研究提供新的研究思路。

本课题聚焦于忆阻器件的性能可靠性研究及其神经突触学习功能仿生。基于非晶碳、金属氧化物、有机物等不同材料构筑了忆阻器件。从界面调控角度出发，发展了一系列新颖且有效的手段与方法，对忆阻器件性能提升展开了系统研究。如利用曲面电极、多孔结构等方式增强局域电场，降低导电通道随机性。针对目前忆阻器模型较少这一问题，通过构建PN异质结、肖特基结等能带结构提出并研制了新型忆阻器件，并神经突触器件的时序可塑性、联合式学习行为等高级学习认知功能进行了仿生模拟。同时,探究了忆阻器件在柔性可转移特性方面的研究，获得了具有高抗弯折性能的柔性可转移忆阻器件。项目主要取得了如下重要成果：（1）利用Gd元素掺杂Ta2O5-x基忆阻器件，增加氧缺陷的产生和迁移势垒，很大程度提升了器件的保持特性，获得了运行能耗在60 fJ/bit以下的超低功耗忆阻器件。（2）基于“pn 结空间电荷区宽度调制”思想设计并构筑了一种新型氧化物PN结忆阻器件；发展了激励信号的频率耦合模式，实现了巴甫洛夫“电子狗”的联合式记忆行为仿生模拟，为进一步探索器件高级学习功能提供了基础。增加了忆阻器长短时记忆调节的可控性。（3）研制了TiO2纳米线的忆阻器件，进一步通过气体离子处理调节忆阻器件非晶化程度的加剧，从而实现了对神经突触仿生器件中长时/短时记忆的有效调节。本项目研究结果对于深刻理解忆阻器可靠性问题物理原因及其解决方案具有重要的参考价值，为构筑人工神经网络积累技术储备。同时，研究成果中对于人工突触器件的功能模拟，也为理解人脑神经系统信息处理过程提供了一种新的认识角度，或将促进脑科学与类脑智能两个研究领域的融合。.