模拟神经突触可塑性的过渡金属氧化物电阻转变效应研究

Synapses dominate the architecture of the brain. The changes in the strength of synaptic connections constitute the biological basis for learning and memory in the brain. A compact neuromorphic nanodevice with inherent leaning and memory properties emulating those of biological synapses, is the key to developing artifical neural networks rivaling their biological counterparts. In this project, the transition metal oxides (TMO), which offer compelling advantages in terms of compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication process, will be used to build resistive switching devices. To mimic short-term plasticity and long-term potentiation of biological synapse, the resistive switching and memory properties with wide time scale from volatile to permanent are expected to be achieved in the TMO-based devices through precisely and optimally controlling the component and structures of TMO thin films, selection and preparation of electrodes and parameters of external electric stimuli. And, a compact nanodevice with inherent learning and memorizing is expected to be realized to emulate the biological synapse. To elucidate different kind of resistive switching mechanisms, local component and structure changes and oxygen ion migration process during resistive switching behavior will be observed real-time by in-situ scanning transmission electron microscope (STEM). The inorganic synapse array with high uniformity, reliability and density will be prepared by normal semiconductor fabrication process.

神经突触决定了大脑的构造，其可塑性是大脑学习记忆的基础。开发具有类神经突触性能的紧凑纳米器件是成功构建人工神经网络的基础。本项目拟采用过渡金属氧化物构建的电阻转变器件，通过精确控制氧化物薄膜的结构和组分，电极材料的优化选择制备以及外加电激励参数的控制，在单个器件中实现易失性到非易失性长时间跨度且电阻态连续可调的电阻转变性能，模拟神经突触的短时程增强，长时程增强等可塑性，获得具有类神经突触学习记忆功能的纳米器件。采用扫描透射电子显微镜原位施加电压，实时观测不同模式的阻变过程中材料局部组分、相结构的演变以及氧离子迁移过程，深入探讨阻变的物理机制。在此基础上，采用传统的半导体工艺研制开发均匀可靠的高密度类神经突触纳米器件阵列。

人的大脑具有各种认知功能，包括语言、思维和推理等，是源于大脑内部由神经元和突触构成的庞大的神经网络结构。其中突触是大脑存储、处理和传递信息的关键，其可塑性是大脑学习记忆的基础。开发具有类突触可塑性能的紧凑纳米器件是成功构建新一代人工神经网络的基础。忆阻器，又称为电阻转变器件，是最有前途的器件之一。因为忆阻器具有非常简单的金属-绝缘层-金属三明治结构，并且具有从易失性到非易失性长时间跨度的电阻态连续可调的电阻转变效应可以用于模拟突触的多种神经功能。在本项目的资助下，我们采用过渡金属氧化物材料，如WO3-x, SrTiO3和TiOx等，通过精确控制氧化物材料的微观结构和金属-氧化物界面状态，并结合外界激励参数的严格控制，实现了从易失性到非易失性长时间跨度的电阻转变性能以及电阻态的连续可调，并模拟了生物突触和心理学上的多种神经功能，如高级可塑性，隐式记忆和联想记忆等。在此基础上，我们对忆阻器的阻变和电预处理机理进行了研究，第一次直观观察到了WO3-x器件在电预处理过程中形成了由室温导电相(Magnéli相)构成的导电丝。并且结合低温试验，验证了焦耳热在电预处理过程中起到关键作用，并进一步探讨了电阻转变的物理机制。本项目的顺利执行和取得的研究成果为后续基于忆阻器的人工智能器件的研发奠定了坚实的研究基础。