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「材料科学」用氧化物定制人脑之梦( 四 )


当然 ， 不管物理机理究竟如何 ， 物性调控效果非常明显却是事实 。 清华大学于浦课题组 ， 通过独立控制 O2- 离子和 H+ 离子在氧化物中的嵌入和脱嵌 ， 实现了 SrCoO3- δ、SrCoO2.5、HSrCoO2.5 三相之间的转变 ， 为功能氧化物多态相的电场控制开辟了新道路 [7] 。 随后 ， 普渡大学 Ramanathan 课题组 ， 利用水溶液电解质与钙钛矿结构镍酸盐 SmNiO3薄膜界面进行 H+ 离子交换 ， 能够实现电导变化达 4 个量级以上的可逆相变 ， 据说可应用于深海等恶劣环境下的微弱电信号探测 [8] 。
2015 年 ， 笔者通过电解质调控 ， 实现了 La1-xSrxMnO3 (LSMO) 薄膜 4 个量级以上的金属-绝缘体转变 ， 揭示了电解质中水与氧化物薄膜界面离子交换的重要性 [9] 。
总之 ， 电解质调控功能氧化物薄膜所展现出的多状态、非易失性电导等奇异性质 ， 促使物理人将其应用于神经突触器件的探索 。
「材料科学」用氧化物定制人脑之梦
本文插图
图5. WO3 突触晶体管短程和长程的“CAS”图形化记忆过程：在突触阵列里连续输入“C”、“A”、“S”三个字母 。 写“C”、“S”用的低电压代表短时记忆 ， 写“A”用的高电压代表长程记忆 [10] 。
03
突触晶体管
最近两年 ， 笔者所在团队倒是一直致力于功能氧化物薄膜电解质突触晶体管的研究 [10 - 13] 。 这一进程留给我们很多经验和教训 ， 也给我们单调的帝都生活增添了精彩 ， 因此值得在此回味一二 。
首先 ， 对电解质晶体管工作机制的清晰理解至关重要 。
选用 WO3 外延薄膜来进行相关器件的物理机制探索是很有价值的 ， 原因如下：WO3 可以看成是 A 位缺失的钙钛矿 ABO3 结构 ， 其中存在大量可容纳外来离子的空间 。 WO3 还是 5d0 半导体材料 ， 伴随着外来离子插入 ， 其物理性质可能发生清晰变化 。 通过对离子液体调控 WO3 薄膜物理机制的长时间探索 ， 我们能够得到一系列有价值的结果 ， 如图 4 给出的示意图所示：
(1) 当门电压小于水的分解电位时 ， 离子液体调控主要是静电场效应起作用 。 撤掉门电压 ， WO3 沟道电导立刻恢复 。 由此可以模拟突触的短程记忆过程 。
(2) 当门电压大于水的分解电位时 ， 离子液体调控主要是电化学效应起作用 。 此时 ， 伴随着 H+ 在 WO3 薄膜中 A 位空隙的插入 ， 撤掉门电压后 ， WO3 沟道电导仍然能够保持 。 这对应着突触的长程记忆过程 。
基于以上原理 ， 可以对突触晶体管的短程可塑性、长程可塑性、脉冲时间依赖的可塑性等重要指标进行系统研究 。 系统的结果现实：电解质氧化物突触晶体管可同时模拟短程 (低电压写入的“C”和“S”快速消失) 和长程 (高电压写入的“A”长时保持) 行为 (图 5) 。 这一观测 ， 应该对基于电解质栅极的低能耗突触仿生器件设计与性能改善有参考意义 。 看君有意 ， 可参考发表于 Adv. Mater. 30, 1801548 (2018) 的相关论文 [10] 。
其次 ， 寻找到好的突触晶体管材料是难题、亦是核心 。
事实上 ， WO3 突触晶体管的开关比 (~ 10 @ 2 V)不高 。 要突破这一难题 ， 还需要探索更好的材料体系 。 笔者曾经利用典型的量子材料 VO2进行相关的人工突触器件设计 ， 稍有一些体会与心得 。
量子材料二氧化钒 (VO2) 在近室温下具备可逆的绝缘-金属相变 ， 为设计高开关比突触器件提供了很好的选择 。 我们曾经尝试利用激光分子束外延技术制备高质量 VO2 外延薄膜 ， 刻画了电解质调控 H+ 离子注入/脱出过程中VO2 晶体结构和电子结构的演变过程 ， 实现了电导的非易失改变 (~ 102 @ 2 V) (图 6) 。 通过调控 H+ 注入浓度 ， 可以模拟生物突触的重要功能 ， 如突触可塑性和尖峰时间可塑性等 。 利用神经网络模拟器 ， 还可以构建基于 VO2 晶体管的人工神经网络 ， 让其学习了六万张 MNIST 标准手写数字图片 ， 抽取其中一万张图片进行识别 ， 图片识别率达到 91 % (图 7) 。


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