近年来，随着大数据和人工智能的快速发展，以传统冯·诺伊曼为架构的传统计算机因处理器与存储器在物理上是分离的，导致传统计算机在处理复杂问题时，存在运行速度慢、能耗高等问题。受大脑启发，神经形态计算可以模拟生物大脑功能的运行来进行信息处理，并有可能解决冯·诺伊曼架构的瓶颈。该计算是基于忆阻硬件神经网络实现的，其中模仿大脑生物突触的突触器件是主要单元。本文主要按刺激方式对不同的突触器件进行分类，分别介绍各种器件的机理、进展和应用，并且展望了各类突触器件的未来发展状况。
Memristive Artificial Synapses for Neuromorphic Computing
Nano-Micro Letters (2021)13: 85
https://doi.org/10.1007/s40820-021-00618-2
本文亮点
内容简介
南京邮电大学李兴鳌教授课题组在本文中根据信号刺激模拟，将突触器件主要分为电刺激、光刺激和光电协同的突触器件。详细分析了各种器件的工作机理类型，这些机理只要包括离子迁移(电刺激、光电协同)、相变(光刺激、电刺激)、铁电性能(电刺激)、载流子捕获与释放(光刺激、电刺激)以及氧空位的离化(光刺激)等，并对模拟的突触功能展开讨论。此外，对现有各种突触器件的应用场景进行了概述。最后，对突触器件的性能和未来发展进行了展望。
图文导读
I 基于电刺激神经突触器件
图1. 基于电刺激神经突触器件(a) 基于原子开关的突触器件。(b) 铁电忆阻器示意图，其中铁电隧道势垒BiFeO₃在(Ca、Ce)MnO₃和Pt/Co之间。(c) 器件电阻与电压幅度的磁滞回线。(d) 基于Ge₂Sb₂Te₅(GST)的相变(PCM)材料的突触设备示意图。(e) ITO / PVPy – Au NP / AlRRAM阵列器件。(f) 器件的SET(顶部)和RESET(底部)过程。
II 基于光刺激神经突触器件
本节主要讨论基于光刺激突触器件的原理，这些原理主要包括氧空位的离化和解离(图2a)，通过陷阱捕获和释放载流子(图2c)以及光诱导相变(图2d)。
图2. 基于光刺激神经突触器件。(a) IGZO晶体管突触器件的示意图。(b) 随光脉冲刺激响应的机制示意图。(c) Si NCs双端型突触器件示意图。(d) 基于MoOₓ突触器件的示意图。(e-f) 在紫外线照射前后，MoOₓ中的Mo 3d峰的相应的XPS表征。
光辅助电刺激突触器件，光被用作调节器件电学性能的辅助方式。在该类型器件中，光刺激材料可以影响离子迁移所需克服的势垒，也可能影响离子与空位符合的机率，从而影响器件导电性能，基于此可以辅助模拟各种突触功能。
图3. 光电协同神经突触器件。(a) 基于CsPbBr₃量子点的突触器件示意图。(b) CsPbBr₃量子点突触器件的能带示意图。(c) 光脉冲的光子增强和黑暗条件下电脉冲的抑制。(d) 有机-无机杂化钙钛矿(MAPbI₃)器件的原理图及光对离子扩散的影响。(e) 不同功率密度下电导对脉冲刺激的变化。(f) 在黑暗和不同光照条件下，对忆阻性能影响。
图4. 神经突触器件的应用。(a) 基于卤化物钙钛矿的突触器件，包括MAPbBr₃、FAPbBr₃和CsPbBr₃。(b) 基于突触器件的神经网络手写数字识别。(c) 基于h-BN / WSe₂异质结构的视神经突触器件用于颜色识别。(d) 突触权重随着训练次数的增加而变化。(e) 基于Si NCs的电致发光突触器件用于逻辑运算。(f) 基于Si NCs的晶体管突触器件。(g) 用于治疗酒精成瘾者的厌恶学习。(h) 光子MoS₂突触滤波器。(i) 用高通滤波器锐化后的花朵图像。
作者简介
黄稳
本文第一作者
光或电刺激忆阻物理机制及其在突触模拟方面的应用。
▍主要研究成果
▍Email: wenhuang@njupt.edu.cn
楚亮
本文通讯作者
钙钛矿太阳能电池、钙钛矿忆阻器等。
▍主要研究成果
▍Email: chuliang@njupt.edu.cn
李兴鳌
本文通讯作者
主要从事物理学、材料学、光学工程等学科领域的研究工作。主要研究方向涉及光电信息材料与器件；二维半导体材料、多铁性材料等的制备、性能及其光催化应用；钙钛矿太阳能电池等。
▍主要研究成果
▍Email: iamxali@njupt.edu.cn
▍个人主页
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报》编辑部
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