「材料科学」用氧化物定制人脑之梦( 五 )
我们的尝试 ， 至少证明了功能氧化物器件构成的神经网络可以进行“学习”和“识别”！从这个意义上 ， 量子材料为新型高性能神经突触器件研究提供了新选择 ， 具有广阔的前景 。 看君有意 ， 可参考发表于 Nano Energy 67, 104268 (2020) 的相关论文 [11] 。
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图6. HxVO2 突触晶体管基本性质 。 器件结构示意图 (a)；不同栅压下沟道电导随时间变化曲线 (b)；转移特性曲线 (c)；交替正负电压下的器件循环性 (d) [11] 。
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图7. 基于 VO2 突触晶体管的人工神经网络对标准图库的识别模拟 。 三层神经网络示意图 (a)；人工神经网络的电路示意图 (b)；对 UCI 图库 (c) 和 MNIST标准手写数字库 (d) 的识别率 [11] 。
当然 ， 我们展示了电解质调控中 H+ 注入/脱出调控的典型实例 ， 但结果并非是没有问题的 。 H+ 注入/脱出调控的突触晶体管亦有自身的缺点 ， 即保持特性比较差 ， 大约在分钟 - 小时量级 。 这一缺点当然需要克服 ， 也成为我们追求具有长时间保持特性的人工神经突触器件的驱动力 。
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拓扑相转换 SrFeO2.5 薄膜
针对 H+ 离子注入的问题 ， 很容易注意到 ， 功能氧化物中的 O2- 离子具有非常好的稳定性 ， 或许控制 O2- 离子是设计优异保持特性类脑器件的潜力方案 。 不过 ， 与 H+ 不同 ， 这里需要使用一类特殊的功能氧化物材料 ， 其中的 O2- 空位处要易于容纳外来离子 ， 同时在外场控制下还可以失去 O2- 离子 。 拓扑相转换材料正是思想这一功能的不二选择 ， 看君锅若感兴趣 ， 可以点击《让拓扑相变存储数据》一文 ， 究其因果 。
基于以上思路 ， 笔者利用离子液体调控 O2- 离子的插入和析出 ， 在 SrFeO2.5 外延薄膜中通过电场实现了钙铁石相与钙钛矿相的拓扑转换 。 一方面 ， 相转换过程中 ， 伴随着晶体结构、电导态及光学吸收特性的巨大变化 。 另一方面 ， 相变后的结构、性能可以长久保持一年以上 ， 未有变化 。 另外 ， 在离子液体/氧化物界面强电场作用下 ， 通过向 SrFeO2.5 薄膜沟道插入和析出 O2- 离子 ， 还可以实现多个稳定电导态的可逆变化 。
令人惊喜的是 ， 该突触晶体管电导非常低 (~ 5 nS) ， 为低功耗大规模神经网络构建提供了很好的基础 。 进一步 ， 我们还实现了人工突触器件的重要功能 ， 即包括突触权重增强和减弱、突触的短长时记忆可塑性以及前后突触的时间可塑性 (图 8) 。 更进一步 ， 基于拓扑相转换材料的器件同样实现了对标准手写数字库的高精度识别 (93%) ， 处于同类器件领先水平 。 关于这些进展 ， 看君有意 ， 可参考发表于 Adv. Mater. 31, 1900379 (2019) 的相关论文 [12] 。
需要特别指出 ， 拓扑相转换突触晶体管优异的保持特性 ， 同样可应用于非易失存储和计算上 。 我们演示了其数字记忆与擦除功能 ， 通过双栅极结构可以实现非易失性与、或逻辑功能 (图 9) 。 看君有意 ， 可参考发表于 Adv. Funct. Mater. 29, 1902702 (2019) 的相关论文 [13] 。
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图8. SrFeOx 突触晶体管突触可塑性测试 。 不同脉冲电压下沟道电流的响应 (a)；不同脉宽下沟道电流的响应 (b) [12]；正负交替栅压脉冲可以反复调制沟道电导 (c)；突触晶体管长程增强和减弱可塑性 (d)；非对称 (e) 和对称 (f) 脉冲时间依赖的可塑性 。
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