Atomaire laag afgezet Hf0.5Zr0.5O2-gebaseerde flexibele memristor met korte/lange termijn synaptische plasticiteit

Resultaten en discussie

Afbeelding 2a toont de typische bipolaire resistieve schakelcurve van de memristor met de huidige compliantie van 500 uA. De sweeping-spanning werd toegepast in een reeks van 0 → 2 V → 0 V voor het ingestelde proces, en de weerstand veranderde van een hoge-weerstandstoestand (HRS) naar een lage-weerstandstoestand (LRS). Daarentegen werd een negatieve spanning aangelegd van 0 V tot − 2 V en teruggebracht naar 0 V voor het resetproces. De geleidelijke schakelkarakteristiek in positieve en negatieve bias-sweeps geeft het potentieel aan van op HZO gebaseerde memristor die synaptisch gedrag emuleert. De cumulatieve waarschijnlijkheid van bedrijfsspanningen in het instel- en resetproces tijdens opeenvolgende sweepcycli wordt getoond in Fig. 2. De gemiddelden (μ) van de ingestelde spanning en resetspanning zijn respectievelijk 0,99 V en  − 1, 33 V, wat toonde het gemiddelde niveau van de bedrijfsspanning. De standaarddeviatie (σ) van de bedrijfsspanning (0,245 voor het instelproces en 0,566 voor het resetproces) gaf de mate van afwijking van het midden aan. De relatieve fluctuatie van gegevens kan worden beschreven als een variantiecoëfficiënt (σ/μ). Superieure uniformiteit werd verkregen in het setproces, terwijl de variatie van HRS-weerstand en reset-spanning opmerkelijk zijn, wat zou kunnen worden toegeschreven aan het vormings- en breukproces van geleidend filament (CF) van Ag-atomen. Tijdens het instelproces zou de grootte of het aantal CF's toenemen. Het huidige apparaatniveau is bijna lineair evenredig met de toename van CF's. Tijdens het resetproces zouden de CF's breken en afnemen. Terwijl het huidige apparaatniveau exponentieel afhankelijk is van de breeklengte van CF's [28]. Een kleine verandering van CF's tijdens het resetproces kan leiden tot duidelijke veranderingen in weerstand en resetspanning. De AAN/UIT-verhouding van μ in een op HZO gebaseerd apparaat was groter dan 300, zoals weergegeven in figuur 2c.

een Resistieve schakelkarakteristieken van HZO-gebaseerd apparaat gemeten door DC-sweep. b Verdeling van de ingestelde en reset-spanningen geëxtraheerd uit DC-zwaaicycli in flexibel apparaat. c Statistische gegevens van HRS en LRS, waarbij weerstand werd gemeten bij een leesspanning van 0,1 V

Naast het geleidelijke weerstandsschakelgedrag in DC-zwaai, zou het apparaat met gemoduleerde geleiding kunnen worden geprogrammeerd door een reeks opeenvolgende pulsen. Zoals weergegeven in figuur 3a, zou de geleiding geleidelijk kunnen worden gemoduleerd om LTP en LTD te emuleren met 400 opeenvolgende programmeerpulsen, wat het potentieel van het synaptische apparaat voor neuromorfisch computergebruik aangeeft. Met 200 opeenvolgende positieve pulsen (0 .8V, 20 ms) en 200 negatieve pulsen (− 0 .5V, 20 ms), werd de geleiding van het synaptische apparaat geleidelijk versterkt en verlaagd. De geleidingstoestand werd verkregen onder een leesspanning van 0,1 V na elke opeenvolgende puls. Vergeten is een van de meest voorkomende fenomenen in de menselijke hersenen, die kunnen worden gesimuleerd door de relaxatie van postsynaptische stroom in elektrische synapsen. Na een reeks pulsen nam de postsynaptische stroom (PSC) af en veranderde in de loop van de tijd in een tussentoestand, zoals weergegeven in figuur 3b. De vergeetcurve zou kunnen worden uitgerust met de Kohlrausch-vergelijking die veel werd gebruikt in de psychologie:

waar I(t) is de PSC op het moment van t , ik ₀ is de gestabiliseerde stroom, A is een prefactor, en τ is een ontspanningstijdconstante. In het kunstmatige synaptische apparaat, de constante τ was 57 s, wat werd gebruikt om de vergeetkenmerken te evalueren.

een Geleidelijke geleidingsmodulatie voor LTP en LTD in de kunstmatige flexibele synaps, waar de postsynaptische stroom werd verkregen bij een leesspanning van 0,1 V. b Gedrag vergeten na 100 opeenvolgende programmeerpulsen (1 V, 50 ms) en aangepaste curven van de elektrische synaps

Om het werkmechanisme van het op HZO gebaseerde synaptische apparaat beter te begrijpen, werden de geleidende filamenten (CF) in verschillende toestanden getoond in Fig. 4. De vorming en breuk van de CF's waren te wijten aan de migratie van Ag-atomen en mobiele Ag ⁺ . Toen de positieve programmeerstimulus werd toegepast op de bovenste elektrode, werden atomen van de bovenste elektrode geoxideerd tot Ag ⁺ , die zich ophoopten in de onderste elektrode en werden gereduceerd tot Ag-atomen. In Fig. 4a-c namen de dikte en diameter van CF enigszins toe van toestand I naar toestand III, wat de geleidbaarheidstoename [29] induceerde. Daarentegen scheurde de brug van Ag-atomen met een zwak effect op de geleiding na het aanbrengen van een reeks negatieve pieken in memristor, zoals weergegeven in Fig. 4d-f. Typisch LTP- en LTD-gedrag in dit op HZO gebaseerde kunstmatige synaptische apparaat werden respectievelijk georganiseerd vanuit de geleidelijke vorming en breuk van de CF.

een –c De schematische diagrammen van het vormen van Ag-kationen geleidend pad onder opeenvolgende positieve pulsen in LTP. d –f Breuk van de geleidende gloeidraad na opeenvolgende negatieve pulsen in LTD

Kortetermijnsynaptische plasticiteit is cruciaal voor zowel exciterende als remmende biosynapsen, waarvan wordt aangenomen dat ze een belangrijke rol spelen bij de behandeling van temporele informatie [30, 31]. Het PPF- en PPD-gedrag is een typisch kortetermijnfenomeen dat is georganiseerd uit twee opeenvolgende synaptische pieken met een kort interval. Een dergelijke plasticiteit werd ook met succes nagebootst in ons flexibele, op HZO gebaseerde synaptische apparaat. De PPF-functie was een kortetermijnverbetering van synaptische gewichten veroorzaakt door een paar pieken (2 V, 10 ms) met een interval van 60 ms, zoals weergegeven in figuur 5a. Daarentegen is de responsstroom van de tweede piek kleiner dan die van de vorige piek, die wordt beschreven als PPD en wordt gesimuleerd door twee negatieve pulsen (− 1 .5V, 10 ms) met een interval van 60 ms.

een Typisch PPF-gedrag veroorzaakt door een paar pre-synaptische pieken (2 V, 10 ms). b Het PPD-fenomeen van de kunstmatige flexibele synaps onder geremde pieken (− 1 .5V, 10 ms)

Om de betrouwbaarheid van langdurige plasticiteit in ons synaptische apparaat aan te tonen, werden retentiekenmerken gemeten voor meer dan 1000 s. Zoals weergegeven in Fig. 6, werd de PSC in exciterende en remmende toestanden afgelezen met een bias van 0, 1 V na een enkele pre-synaptische piek. Het langetermijnretentiegedrag van ons HZO-gebaseerde apparaat toont het potentieel van opslag, en de opeenvolgende gemoduleerde geleiding maakt de weg vrij voor geheugenfunctie, die in een systeem kan worden geïntegreerd.

een De retentiekenmerken van elektrische synaps onder positieve programmeerpuls, wat het potentiële gedrag op lange termijn aangeeft. b In het LTD-proces kan de postsynaptische stroom worden geremd onder een enkele negatieve puls (− 0 .5V, 20 ms) en de geleidingstoestand kan stabiel blijven voor meer dan 1000 s