阻变器件的电阻状态与所施加的电压或电流的历史过程有关,并且在外电场去除后电阻状态可以保持下来。这种特性与目前神经科学研究结果所显示的突触行为非常相似,展现了在开发低功耗器件方面的巨大潜力,已被研究者们用来模拟人脑神经突触的功能。近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室M06组尚大山副研究员、孙阳研究员和博士生杨传森等参考硅基场效应晶体管的结构,采用二维材料α-MoO3单晶薄片作为沟道材料制备了一种三端阻变器件,利用离子液体作为栅极,施加电场在二维材料间隙层中注入氢离子,实现了α-MoO3沟道电阻在低能耗条件下的多态可逆变化。并且,利用该器件的电阻态的变化,成功模拟了神经突触权重增强和减弱、短时记忆至长时记忆的转变等行为。此外,他们还利用α-MoO3多晶薄膜制备了Ag/MoO3-x/FTO三明治结构的两端器件—忆阻器,利用该器件中电场控制的固态电化学反应,实现了连续的阻变行为。在此基础上,通过改变脉冲电场触发次数、宽度、频率和脉冲间隔,成功模拟了生物学中的神经突触权重增强和减弱过程、短时记忆至长时记忆的转变、激发频率依赖可塑性(SRDP)和激发时间依赖可塑性(STDP)等行为。此项工作证明了利用二维材料α-MoO3中的固态电化学过程模拟神经突触行为的可行性,为开发具有低功耗、可缩放性好的类神经突触晶体管和忆阻器,构建高效率的神经网络计算机提供了技术参考。
以上研究结果分别发表在Advanced Materials 29,1700906 (2017)和Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 4190 (2017)。该工作得到了国家自然科学基金(51671213、 11534015),科技部(2016YFA0300701)和中国科学院项目(XDB07030200)的支持。参与本工作的合作者还包括:物理所沈保根院士,禹日成研究员,李永庆研究员,沈希副研究员等。
文章链接:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201700906/full
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/cp/c6cp06004h#!divAbstract
图1 二维材料α-MoO3的晶体结构与样品的表面形貌。 |
图2. α-MoO3晶体管结构、电输运性质与氢离子注入机制。 |
图3. 在栅极电压脉冲作用下,利用α-MoO3晶体管沟道电流变化模拟兴奋性突触后电流(EPSC)行为。 |
图4. 利用α-MoO3晶体管沟道电阻的非易失性多态可逆变化,模拟神经突触的配对脉冲易化(PPF)、突触权重增强/减弱以及短时/长时记忆转变。 |
C6CP06004H.pdf
Yang_et_al-2017-Advanced_Materials.pdf