Analoog schakelen en kunstmatig synaptisch gedrag van Ag/SiOx:Ag/TiOx/p++-Si Memristor-apparaat

Resultaten en discussie

Een schema van het apparaat en de meetconfiguratie wordt beschreven in Fig. 1a. Het apparaat heeft een eenvoudige structuur bestaande uit SiO_x :Ag en TiO_x dunne lagen ingeklemd tussen een Ag TE en een p ⁺⁺ -Si BE dat wordt bevestigd door de transversale TEM van memristorcel en elementaire mapping getoond in Fig. 1b en c. De chemische toestand van Ag-atomen op het oppervlak van SiO_x wordt geanalyseerd door XPS, zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Figuur S1. Het Ag3d-spectrum voor Ag is gedeconvolueerd tot een enkel doublet met bindingsenergieën van 368,0 eV voor Ag3d_5/2 en 374,0 eV voor Ag3d_3/2 , die precies zijn toegewezen aan de metaaltoestand Ag. Het HRTEM-beeld in aanvullend bestand 1:figuur S2 toont een dwarsdoorsnede van de amorfe TiO_x laag, terwijl de kleine Ag-nanoclusters zichtbaar zijn in SiO_x :Ag-laag, die waarschijnlijk wordt veroorzaakt door de uitdiffusie van Ag tijdens het TEM-monstervoorbereidingsproces om de totale grensvlakenergie van het materiaalsysteem te minimaliseren [22]. Bovendien bevestigt de snelle Fourier-transformatie (FFT) dat de Ag-nanoclusters die zijn ingebed in SiO_x zijn polykristallijn van structuur, zoals Ag (111) en Ag (002) nanokristallen. In de Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor apparaat, de Ag/SiO_x :Ag en de TiO_x /p ⁺⁺ -Si als respectievelijk het pre-synaptische membraan en het postsynaptische membraan, zoals geïllustreerd in figuur 1a. Het synaptische gewicht verandert door Ca ²⁺ . los te laten of Na ²⁺ ionen in een opening tussen pre- en postsynaptische membranen, "gespleten" genoemd door het presynaptische membraan wanneer de neurale pulsen worden ontvangen. Evenzo is de conductantie van de Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si-memristorapparaat kan kunstmatig worden gemoduleerd als een elektronische synaps door de migratie van Ag-ionen onder de spanningsimpulsen.

Figuur 2a toont de stroom-spanning (I-V) curve van de Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristorapparaat in de semilogaritmische schaal. Onder de ingrijpende bias van 0 V → +4.0 V → −4.0 V → 0 V, toont de gemeten IV-curve een geknepen hysteresislus, wat een vingerafdruk is van een memristor. Wanneer een positieve bias wordt toegepast op de Ag TE, een geleidelijke toename van de stroom tot aan de compliantiestroomlimiet (I_cc ) optreedt, en de weerstandsstatus van het apparaat wordt gewijzigd van een hoge weerstandsstatus (HRS) naar een lage weerstandsstatus (LRS), wat het "SET"-proces wordt genoemd. Terwijl, wanneer een negatieve bias wordt toegepast op de Ag TE, een afname van de stroom optreedt en de weerstandstoestand wordt teruggestuurd naar HRS van LRS, wat een "RESET" -proces wordt genoemd. Het geeft aan dat de geleidbaarheid van het apparaat dienovereenkomstig kan worden gemoduleerd met een positieve of negatieve sweep-bias, wat een bipolair resistief schakelgedrag vertoont. In plaats van een abrupte toename of afname van de stroom tijdens SET- en RESET-processen bij een hoogspanningsregime, is het interessant dat de apparaatstroom achtereenvolgens toeneemt of afneemt onder de herhaalde spanningszwaai van 0 V → +2.1 V of 0 V → −2.1 V, zoals getoond in Fig. 2b. De relatie van stroom en spanning versus tijd (I-V-t) is ook uitgezet in de inzet van figuur 2b om de veranderingen in geleiding duidelijker te laten zien. Net als in een bio-synaps wordt een duidelijke apparaatrespons van de neerwaartse of opwaartse evolutie van de stroom waargenomen na implementatie van respectievelijk opeenvolgende positieve (1e-5e) en negatieve (6e-10e) deel van IV-curves. De continue toename (of afname) van de stroom tijdens de positieve (of negatieve) spanningszwaaien geeft aan dat de weerstand van het apparaat kan worden gemoduleerd door de DC-sweeping-modus. Er wordt ook waargenomen dat tijdens elke volgende positieve of negatieve zwaai de IV-curve kiest waar de laatste is gebleven, wat een typische analoge schakelfunctie voor een memristor-apparaat laat zien. De duurzaamheidsprestaties van het memristorapparaat kunnen worden geëvalueerd door een bredere bipolaire zwaaispanning te implementeren bij een uitleesspanning van +0,3 V, zoals in Fig. 2c, wat aantoont dat het apparaat stabiel en uniform kan worden bediend tussen LRS en HRS tijdens set / reset operatie meer dan 10 ³ cycli.

IV-kenmerken van de Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor apparaat. een Bipolair schakelgedrag b Potentiëring of depressie door herhaalde spanningszwaaien. De inzet toont de spanning en stroom versus tijdrelatie (V-I-t), waarmee de geleidingstoestand tijdens potentiëring of depressie wordt aangetoond. c Duurzaamheidstest bij een uitleesspanning van -0,3 V voor 10 ³ cycli van een breder bereik van bipolaire sweeps van 0 tot +4,0 V voor set en 0 tot -4,0 V voor reset. d Herhaalde eigenschappen van conductantiemodulatie

Het memristorapparaat kan ook worden gebruikt onder de pulssignalen in plaats van de DC-bias-zwaaispanning. Figuur 2d toont de respons van het apparaat in de vorm van potentiëring of depressie na de implementatie van herhaalde potentiërende (positieve vooringenomenheid) en deprimerende (negatieve vooringenomenheid) pulsen. De amplitudes van de potentiërende en deprimerende pulsen zijn respectievelijk +1,2 V en -1,2 V, en alle pulsbreedtes en -intervallen zijn vastgesteld op 5 ms. Hier wordt de conductantiemodulatie in het apparaat waargenomen ongeacht positieve of negatieve pulsbias, die vergelijkbaar is met de synaptische respons in de vorm van potentiëring of depressie onder respectievelijk de versterkende en deprimerende stimulus. Het is duidelijk gebleken dat de respons van het apparaat van cyclus tot cyclus kan worden aangepast, afhankelijk van het aantal stimulatiepulsen, wat aangeeft dat een stabiele en uniforme potentiëring en depressie voorbij de polariteit van de toegepaste bias kan worden gebruikt om de gewichtsaanpassing en het geheugen na te bootsen verbetering in een elektronische synaps [30].

Om het schakelgedrag te begrijpen, worden de geleidingsmechanismen geanalyseerd door de I-V-kenmerken te passen. Voor dit doel is een op zichzelf staande SiO_x :Ag op dunne film gebaseerde memristor met de structuur van Ag/SiO_x :Ag/p ⁺⁺ -Si is ook gefabriceerd. Zoals getoond in Fig. 3a, geeft de reactie van het apparaat op de quasi-DC-spanningszwaaien een typisch drempelschakelgedrag aan, zoals eerder gemeld [29, 31]. De pijlrichtingen laten zien dat het apparaat als vluchtig geheugen tussen de twee toestanden kan worden gewisseld. De IV-curve van Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor apparaat laat zien dat de situatie heel anders is dan de stand-alone SiO_x :Ag-gebaseerd memristorapparaat. Figuur 3b laat zien dat het apparaat bipolair schakelgedrag vertoont in aspect van de LRS en de HRS onder het positieve en negatieve deel van de IV-curve, terwijl de bedrijfsspanningen relatief hoger zijn. Figuur 3c toont de IV-curve van Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristorapparaat, dat is aangebracht als Ln(I) versus Ln(V) van positieve regiogegevens voor HRS en LRS. Deze passende resultaten laten zien dat het ladingstransportgedrag bij HRS consistent is met een klassiek trap-gecontroleerd space charge limited conduction (SCLC) mechanisme, dat uit drie delen bestaat als het Ohmse gebied (I/V), het kinderwetgebied (I/ V ² ), en het gebied met steile stroomtoename [32]. Terwijl het lineaire gedrag bij LRS, waar de helling =-1 is, een uitstekend Ohms gedrag aangeeft, zoals weergegeven in figuur 3c. De verschillende geleidingsgedragingen bij HRS en LHR worden bewezen door de vorming van geleidend Ag-filament bij LRS [32]. Figuur 3d ondersteunt verder dat resistief schakelen wordt veroorzaakt door geleidende filamentvorming / breuk. Het kan worden gezien dat terwijl de LRS van het apparaat onafhankelijk is van de celgrootte van het apparaat, de HRS van het apparaat evenredig is met de celgrootte. Deze grootte-onafhankelijke eigenschap bij de LRS is over het algemeen waargenomen bij het uitvoeren van op filamenten gebaseerde geheugenapparaten [33]. Daarom kan worden geconcludeerd dat het resistieve schakelfenomeen in Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor apparaat is typisch afkomstig van de gecontroleerde vorming/breuk van geleidende gloeidraad onder de positieve/negatieve voorspanning. De geleidelijke veranderingen in geleiding kunnen het gevolg zijn van de variatie van de dwarsdoorsnede tussen TE en BE onder het elektrische veld, vergelijkbaar met andere rapporten [34]. De totale weerstand van het apparaat kan dus worden beschreven als R =Rij =V/I volgens het equivalente circuit, waarbij Rij wordt gedefinieerd als de weerstand gerelateerd aan de laterale spleetgrootte van CF tussen TE en BE. Daarom, als deze kloof kan worden aangepast door de Ag CF-grootte tussen TE en BE te moduleren met behulp van een geschikt geprogrammeerde voorspanning, dan kan de geleiding of de weerstand van het memristieve apparaat geleidelijk worden aangepast.

Geleidingsmechanismeanalyse van Ag/SiO_x :Ag/p ⁺⁺ -Si en Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si-apparaten. een De lineaire I–V-curve van Ag/SiO_x :Ag/p ⁺⁺ -Si en b Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si-apparaat. c De geleidingsmechanismen komen overeen met SCLC bij HRS en Ohmic bij LRS voor de Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si-apparaat volgens de fittingresultaten van het positieve gebied van de IV-curve in (b ). d Afhankelijkheid van het celgebied van de conductantie bij de LRS of de HRS

Een bijbehorend fysiek model wordt ook gepresenteerd in Fig. 4 om het schakelmechanisme in stand-alone SiO_{x te interpreteren} :Ag en SiO_x :Ag/TiO_x -gebaseerde memristor-apparaten. Het gedrag van Ag-nanodeeltjes in SiO_x -gebaseerde cellen kunnen worden geïnterpreteerd op basis van elektrochemische reacties (migratie en accumulatie van Ag-ionen en Ag-atomen) tussen de bipolaire elektroden, vergelijkbaar met eerder gerapporteerd [22, 35]. Wanneer de sweep-spanning wordt toegepast, groeien de Ag-nanodeeltjes verder om de opening tussen de elektroden te overbruggen, wat resulteert in een abrupte stroomtoename tot het nalevingsniveau, en de memristor wordt ingeschakeld in LRS (zoals weergegeven in het middelste paneel van Fig. 4a). Na verwijdering van elektrische voorspanning worden de langwerpige Ag-nanoclusters die de brug vroeg vormden nu snel samengetrokken [22], en het apparaat keert terug naar HRS (zoals weergegeven in het laatste paneel van figuur 3a) [35], wat wijst op een bipolaire drempelomschakeling gedrag in een memristor die kan worden gewisseld tussen de twee toestanden zoals in vluchtige geheugenapparaten.

Schematisch diagram van het fysieke model voor schakelgedrag. een Ag/SiO_x :Ag/p ⁺⁺ -Si memristor apparaat; b Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor-apparaat

De situatie is heel anders in het geval van SiO_x :Ag/TiO_x -gebaseerd memristorapparaat, waarbij de SiO_x dunne laag heeft een hoge bandgap (~9 eV) en een lagere diëlektrische constante (~3), maar de TiO_x laag heeft een lage bandgap (~ 3 eV) en een hoge diëlektrische constante (~ 40), waardoor het elektrische veld over SiO_x laag hoger dan die van de TiO_x laag, waardoor meer Ag-atomen in de schakellaag worden opgelost [28]. Het is de lage ionenmobiliteit en lage redoxreactiesnelheid van titaniumoxide die de migratie en accumulatie van Ag-atomen en Ag-ionen over de grenslaag [36] regelt. Deze twee feiten, zoals hierboven vermeld, kunnen de vorming van nanokegelvormig filament van TE naar BE veroorzaken [37]. Het geconcentreerde metalen gebied in de vorm van effectieve opsluiting van filamentgroei in de vorm van nano-conus van TE naar BE kan controle bieden over weerstandstoestanden tijdens de cyclische werking [38]. Wanneer de bovenste Ag-elektrode voldoende positief is voorgespannen over de dubbele lagen, is het elektrische veld over de diëlektrische lagen voldoende om de Ag-ionen van de Ag TE naar p ⁺⁺ te sturen -Si BE door de grenslaag, wat leidt tot het verkleinen van de effectieve opening tussen elektroden (zoals weergegeven in het middelste paneel van figuur 4b). De Ag-filamenten worden niet opgelost tenzij een negatieve spanning wordt aangelegd en hebben de neiging hun oorspronkelijke vorm te behouden, zelfs als de voorspanning wordt verwijderd. Wanneer een negatieve spanning wordt toegepast, begint een normale RESET en worden Ag CF's gedeeltelijk verlaten (meestal op de dunste locatie) vanwege het thermisch ondersteunde elektrochemische proces [39]. Het memristorapparaat schakelt UIT en is terug naar HRS (laatste paneel van figuur 4b), en vervolgens omkeerbaar gefietst tussen twee toestanden (getoond in figuur 3b) als een niet-vluchtig geheugenapparaat. Het linkerpaneel van figuur 4b geeft aan dat de hier gevormde filamenten dikker moeten zijn dan die in het middelste paneel van figuur 4a, die niet kunnen worden opgelost en verbroken tenzij een negatieve spanning wordt aangelegd. Het filamentgedeelte in de SiO_x laag is nog steeds veel dunner dan die van het nano-conusgedeelte in de TiO_x laag, en de vorm van het hele filament lijkt op de een of andere manier op een nano-kegel. Dus wanneer een negatieve voorspanning wordt toegepast, zal de gloeidraad snel breken wanneer een negatieve spanning wordt toegepast (Fig. 3b), terwijl de spanning verder zal worden verhoogd en de stroom opnieuw wordt verhoogd, wat wijst op een risico van negatieve SET bij hoge voorspanning bereik als gevolg van resterende Ag-atomen in de buurt van het oppervlak van BE.

In feite is de totale memristorweerstand bij de HRS alleen gerelateerd aan de opening tussen de filament-nanoconuspunt en de onderste elektrode, die kan worden vergroot of verkleind door de elektrische voorspanning aan te passen [33]. Deze neiging om de HRS in memristors te veranderen, is te zien in figuur 2b, waarin de stroom achtereenvolgens kan worden verhoogd of verlaagd onder de herhaalde sweep-bias van respectievelijk 0 V tot +2.1V en van 0 V tot -2,1 V. Aan de andere kant is het constante zwaaien van een spanning onder +2,1 V niet voldoende om een ​​geleidende gloeidraad over de TE en BE te vormen. In plaats daarvan kan het geleidende Ag-filament geleidelijk Ag-atomen accumuleren, wat leidt tot een afname van de effectieve opening tussen de elektroden, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S3. Daarom kan, door geschikte programmeerbias te gebruiken, de overgang van typische drempelomschakeling naar geleidelijke omschakeling worden gerealiseerd, en kan de totale weerstand van de geheugencel worden afgestemd door de effectieve opening tussen de elektroden aan te passen, zoals deze kan worden waargenomen in een biologische synaps.

Net als bij een bio-synaps kunnen invoerstimuli met geschikte pulsprogrammering de geleidingstoestanden van het memristorapparaat veranderen om verschillende neurale taken uit te voeren. PPF is een ander soort cruciale functie, die de geleiding kan aanpassen door tijdelijke sommatie van invoerstimuli en verschillende neurale taken op korte termijn kan uitvoeren, waaronder synaptische filtering en aanpassing [40, 41]. De PPF-functie in een bio-synaps werkt als volgt:de tweede postsynaptische respons wordt hoger dan die van de eerste tijdens twee opeenvolgende spike-stimuli, waardoor de intervaltijd van spikes korter is dan de hersteltijd [22]. Afbeelding 5a toont de respons van het apparaat, die wordt gecontroleerd na implementatie van een paar facilitatiepulsen met een amplitude van +2,0 V met een vaste breedte en interval genoemd als een schaal van 0,08 s. Een merkbare toename van de stroom als reactie van de tweede puls dan de eerste wordt waargenomen, wat wijst op een schijnbare verandering van de geleidingstoestand na de implementatie van een geschikte pulsprogrammering. Tijdens het interval tussen twee opeenvolgende pulsen wordt een stroomafname waargenomen, wat kan worden toegeschreven aan het bestaan ​​​​van een vluchtig karakter in het apparaat. Het verval in geleiding kan overeenkomen met de diffusie van Ag-atomen na het verwijderen van de versterkende puls [42]. De succesvolle PPF-functie kan alleen worden uitgevoerd wanneer het tijdsinterval tussen twee opeenvolgende pulsen kleiner is dan de diffunderende relaxatietijd van Ag-atomen, waardoor er meer Ag-atomen in de SiO_{x worden geduwd} :Ag/TiO_x laag. Bovendien wordt een verzadigingstoestand bereikt wanneer het apparaat continu wordt gestimuleerd met een aantal facilitatiepulsen met amplitude +2,0 V en een vaste breedte en interval genoemd als een schaal van 0,08 s, zoals weergegeven in Fig. 5b. De resultaten laten zien dat wanneer hoogfrequente pulsen worden toegepast, die meer Ag-atomen in de SiO_{x pompt} laag totdat een geleidende brug is gevormd over de TE en BE, waardoor een verzadigingsniveau wordt bereikt [22]. Dit fenomeen lijkt veel op de Hebbiaanse leerregel, waarbij de synaptische gewichtsveranderingen een verzadigde waarde moeten hebben om overmatige prikkelbaarheid van neuronen te voorkomen met de ongekleurde pieken van de pulstrein toegepast [43].

Experimentele resultaten van gepaarde pulsfacilitatie (PPF). een Implementatie van PPF op Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si-apparaat met +2.0 V pulshoogte met 0.08 s. b Demonstratie van synaptische gewichtsbeweging van verzadiging met behulp van pulstrein met amplitude +2,0 V met dezelfde breedte en interval van 0,08 s

Verder, net als in een biologische synaps, zal een memristor geheugenverlies lijden met een plotselinge afname van de stroom na implementatie van een versterkende piek, wat kan worden toegeschreven aan het bestaan ​​van STP in memristor [44, 45]. In de neurobiologie worden STP en LTP gewoonlijk toegeschreven als kortetermijngeheugen (STM) en langetermijngeheugen (LTM) [46]. Er is vastgesteld dat de overgang van STP naar LTP zou kunnen plaatsvinden door de herhalende stimuli (d.w.z. een repetitieproces) [46, 47]. Om dit gedrag te verifiëren en te vergelijken met het gedrag dat wordt waargenomen in biologische synapsen, is een reeks spanningspulsen geïmplementeerd in onze Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor-apparaten. Figuur 6a toont de toename van de stroom van een initiële toestand van 0,05 mA naar 1,8 mA na implementatie van 15 opeenvolgende pulsen (amplitude +1,4 V, breedte en interval 5 ms). Het genormaliseerde stroomverval ((I_t -Ik_o )/I_o × 100%) wordt gemeten bij leesspanning +0,3 V onmiddellijk na het opleggen van potentiërende pulsen met de tijd (t ), zoals getoond in Fig. 6b. De relatie tussen het genormaliseerde stroomverval en de tijd past goed bij de relatie gegeven in Vgl. (1) [48]:

Huidig ​​verval en geheugenbehoud in Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor. een Stroomtoename na implementatie van opeenvolgende 15 versterkende identieke pulsen. b Stroomverval wordt gecontroleerd bij een leesspanning van +0,3 V na stimulatie van het apparaat. c Het genormaliseerde stroomverval versus tijd met de overgang van STP naar LTP na implementatie pulstreinen van het aantal stimulatie. d De geheugenretentie en ontspanningstijd (τ ) om nummers te pulseren

hier, τ wordt ontspanningstijd genoemd, en β wordt de rekindex genoemd (0 <β <1). Over het algemeen wordt deze relatie gebruikt om de relaxatieprocessen in ongeordende materialen met een willekeurige verdeling van energieën te beschrijven. De curve laat zien dat het verval in synaptisch gewicht vergelijkbaar is met de "vergeetcurve" van het menselijk geheugen in de psychologie [49], die in het begin een snel verval vertoont dat STP zou kunnen worden genoemd en vervolgens geleidelijk een stabiel niveau bereikt dat LTP zou kunnen worden genoemd in het apparaat. Er wordt echter een duidelijk verval van de genormaliseerde stroom in het apparaat waargenomen in een zeer kort tijdsinterval (t ) en bereikt vervolgens een verzadigingsniveau bij een lage geleidbaarheidstoestand (tot 16% in 50 s). In deze situatie hebben we, zonder enige andere wijziging in de pulsparameters, een verder simulatieproces uitgevoerd met een herhaald aantal pulsen. The current is measured at a read voltage of +0.3 V immediately after imposing different numbers of pulses (i.e., 25, 50, 100, and 200) from the same initial state for each set of pulse trains. Figure 6c shows that the normalized current decay with time in each set of measurements is fitted by the relation given in Eq. (1). Figure 6d shows that by an increase of the stimulation number, the relaxation time (τ ) increases, indicating forgetting process fades slowly. Meanwhile, an obvious elevation of the current level is observed, implying a positive change in synaptic weight (conductance), as shown in Fig. 6d by the black line. These results presented in Fig. 6 provide clear evidence of the existence of STP and LTP in our device. A smaller number of stimulations can only induce STP in the device, with a slight rise in conductance at saturation level. Therefore, by increasing the number of repetitive stimulations, the rehearsal process not only rises a conductance level but also is achieved a long-lasting memory retention phenomenon, as shown in Fig. 6d by the red line.

The conventional digital-type memories require the non-volatility to store the information, while in bio-synapse, information processes and accordingly reconfigures the memory status. It can be seen in Fig. 6 that the transition from STP to LTP is realized, and the synaptic weight is adjusted accordingly, while the unimportant ones with small synaptic weight are temporarily stored and then diminished with time. This phenomenon is quite similar to the “multi-store model” presented by Atkinson and Shiffrin [50]. In this model, first input information is analyzed, then stored in different hierarchy levels, according to the importance of “synaptic weight” through the rehearsal process. Therefore, an increase in synaptic weight and resultant prolonged relaxation time (τ ) in our device as a function of stimulation numbers has best verified the rehearsal scheme.

Besides the pulse repetition process, the transition of the STP to the LTP phenomenon is further examined as a function of pulse strength. The device response is monitored after implementation of different pulse amplitudes, i.e., +1.2 V, +1.6 V, +2.0 V, and +2.8 V with similar width and interval scale of 3 ms, as shown in Fig. 7a. The current is monitored with a readout voltage of +0.3 V after imposing each pulse train consisting of 50 pulses. The fitted results with the stretched exponential relaxation model in Fig. 7a shows that the relaxation time is increased as a function of pulse strength (as shown in Fig. 7b red line). Meanwhile, as shown in Fig. 7b, an elevation of the synaptic weight of about 90% is observed at a larger τ of 43 s and +2.8 V amplitude, which is much higher than the synaptic weight of about 25% at a smaller τ of 10 s and +1.2 V amplitude (as shown in Fig. 7b black line), indicating the formation of LTP. Based on these results, it is easy to find that the formation and persistence of LTP in our device are highly dependent on both pulse numbers or pulse amplitude. These results coincide with the facts that the memory states, i.e., STM and LTM, and their stabilities in bio-synapses are related to the input stimulus characteristics.

Experimental results of current decay in Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor device after the stimulation process. een The normalized current decay versus time showing the transformation from STP to LTP; b The memory retention and relaxation time (τ ) as a function of the pulse amplitude

The spike-time-dependent-plasticity (STDP) is another fundamental character for learning and memory function [51] in a biological synapse. It has been reported [52] that in the electronic synapse, the weight can be modulated by a relative timing of pre- and post-synaptic pulses. The Hebbian STDP rule works as follows:if the pre-spike precedes the post-spike (Δt> 0), it could reinforce the connection strength between two neurons. In contrast, if the post-spike heads the pre-spike (Δt <0), it could weaken the connection strength between two neurons. Such kinds of reinforcement and weakening of connection strength between two neurons are also called LTP and LTD, respectively [45]. In the whole process, the order of pre- and post-spikes with respect to time determines the weight change (ΔW) polarity. In order to emulate the STDP rule in our device, a pair of pulses (+1.2 V, 5 ms, and −1.2 V, 5 ms) as pre- and post-spiking signals are implemented, as shown in Fig. 8a. It can be seen that there will emerge a more considerable conductance change (synaptic weight) with the decrease of Δt (in both cases when Δt> 0 and Δt <0). The percentage change in synaptic weight is defined as ΔW =(G_t −G₀ )/G₀ × 100%. Here, G₀ is the conductance measured before stimulation and G_t is the conductance measured after the stimulation using pre- and post-spiking pairs, respectively. A plot is shown in Fig. 8b, that can explain the relationship between ΔW and Δt before and after the simulation process. It can be seen that when the pre-synapse (positive) appears before the post-spike (negative) (Δt> 0), the conductance is enhanced with an increase in ΔW along with the decrease in Δt. On the contrary, when the pre-synapse (positive) appears after the post-spike (negative) (Δt <0), the net conductance of the device is decreased (depressed) in ΔW along with the increase in Δt. These results have demonstrated that our Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor device has successfully emulated the Hebbian STDP learning rule in the form of an artificial synapse.

Experimental results for implementation of STDP rule in Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor device. een The schematic illustration of implementing electrical programming bias comprising the pair of pulses at amplitudes +1.2 V and −1.2 V fixed with the same width of 5 ms. The approaching time difference between stimulus pulses is Δt ms (t =±10n, n =1, 2, …, 10); b The synaptic weight (ΔW) as a function of spike timing (Δt), demonstrating well on the potentiation and depression behaviors in the memristor device