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基于电化学金属化机制的电子突触电导可控性研究进展

 

编委的话

从深蓝到AlphaGo，人工智能研究领域日新月异，灵感源自生物大脑的神经形态硬件系统有望在这场技术革新中大放异彩。使用电路系统来模拟大脑分布式拓扑结构需要大量的神经态电子器件。有关神经态电子器件的一个研究方向聚焦于忆阻型电子突触。其中，基于电化学金属化机制（ECM）的忆阻器具有机理明确、可超高密度集成、对材料属性不敏感等优异特性，在构建能够模拟生物突触可塑性功能的电子突触方面表现出巨大的潜力。鉴于此福州大学吴朝兴团队为本刊撰写综述性文章，介绍ECM原理及突触可塑性模拟，以及ECM电子突触电导可控性优化的最新研究进展，并对未来ECM电子突触的发展方向、所面临的关键挑战和应用前景进行了总结与展望。该综述涵盖了金属离子纳米通道与金属离子输运调控等一系列有代表性的ECM电子突触电导可控性优化方法，较为充分地反映了目前ECM电子突触电导调制可控性领域的研究进展。文章作为封面文章发表在《真空科学与技术学报》第41卷，第8期，699-709。

本刊副主编 中国科学院大学 张余洋 副教授

 

 

文章简介

 

 

  具有突触和神经元功能的神经形态硬件系统在实现人脑学习和适应性方面起着重要作用，有望应用于未来人工智能芯片。基于忆阻器的电子突触是一种具有模拟生物突触可塑性功能的神经形态元件，有望成为构建具有类似生物学习功能的人工智能芯片基本元件。在众多类型忆阻器中，基于电化学金属化机制（Electrochemical Metallization， ECM）的忆阻器具有机理明确、可超高密度集成、对材料属性不敏感等优点，特别适合应用于电子突触的构建。但是，ECM电子突触也存在着许多亟待解决的问题，例如：电导响应的非线性和不对称性、器件均一性差等。因此，针对ECM电子突触电导可控性研究越来越受到重视。近日，福州大学郭家玮、吴朝兴、郭太良等人在《真空科学与技术学报》上发表综述文章，总结了近年来ECM电子突触电导可控性的优化方案，从器件结构和材料角度梳理了ECM电子突触电导可控性的优化方法。

 

  
  ECM电子突触的可控性差体现在两方面：ECM电子突触的电导再现能力差，以及ECM电子突触的电导细分等级较少。造成ECM电子突触电导可控性差的主要原因有：（1）电形成过程的不可控。上下电极间电场的不均匀分布和介电层缺陷位置的随机性导致了导电细丝的形成位置和数量具有一定随机性。此外，导电细丝形成和生长过程中，会增强局域电场和局部温度，进一步促进了导电细丝迁移和生长。该过程使得导电细丝生长过程失控，难以实现电子突触权重的调整。（2）导电细丝结构和形貌的不可控。由于ECM电子突触的电导主要取决于导电细丝数量和直径，而导电细丝通常具有类似树突型的随机形状，其数量、直径难以确定，使得不同器件之间或是同一器件的不同读写操作过程之间电导无法精确控制。对于ECM电子突触电导可控性的优化方案可以总结为两种，具体包括预设金属离子纳米通道提高可控性、金属离子输运调控提高可控性。

 

更多内容请见《真空科学与技术学报》第41卷，第8期，699-709页。

DOI:10. 13922 / j. cnki. cjvst.202106026

引用格式：

J. Guo, W.Li, J.Zheng,Y.Liao,Y.Shen,J.Zhao,K.Wang,C.Wu,T.Guo,Research Progress on Conductance Controllability of Electronic Synapses Based on Electrochemical Metallization Mechanism, Chin. J. Vac. Sci. Tech, 41, 8, 699-709(2021)     

点击链接可下载全文

 

团队及通讯作者简介

 

  • 郭太良团队简介

 

该团队依托平板显示技术国家地方联合工程实验室和中国福建光电信息科学与技术创新实验室，长期致力于场致发射显示、液晶显示和印刷显示与集成半导体显示、智能显示等方向研究，开展对显示领域产业具有支撑作用的关键共性技术的研究开发、产品中试、产业化推广和专业人才培养工作，成为福建省平板显示产业重要的技术创新基地、人才培养基地和行业公共技术服务平台，为解决信息显示产业逐步向产业链中上游延伸的瓶颈问题提供有力支撑。
 

  • 通讯作者简介

     

                       

吴朝兴，男，福州大学物理与信息工程学院，教授，博导。入选韩国 “Korea Research Fellowship”计划、福建省引进高层次人才（境外B类）、福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才、福建省“闽江学者奖励计划”。主持国家自然科学基金、福建省自然科学基金、中国福建光电信息科学与技术创新实验室自主部署科研项目。获福建省科学技术奖三等奖、韩国研究开发优秀成果奖、福建省自然科学优秀学术论文一等奖。开展纳米材料光电性能及其在纳米发光显示、神经元显示、类神经电子、智能感知的应用研究。近五年作为第一/通讯作者在 Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy、NPG Asia materials、Nanoscale等期刊表论文30多篇，授权中国发明专利15件，韩国发明专利4件。
 
 

 

郭太良，研究员，博导，全国优秀教师。科技部战略性先进电子材料总体专家组副组长，新型显示方向专家组组长，闽都创新实验室副主任，国家新型显示技术创新中心副主任，平板显示技术国家地方联合工程实验室主任。主要承担了863重大专项（4项）、国家基金、国防科工委、兵总、福建省重大 科技项目（2项）等20多项科研项目，研制出具有自 主知识产权的可显示视频图像的20英寸单色、25英寸QVGA彩色、VGA彩色、SVGA彩色、34英寸XGA彩色场致发射显示器，以及5、10、 20和34英寸FED背光源，为低成本、大尺寸FED显示器和背光源的研发和产业化开辟了一条全新途径。以排名第一获福建省科技进步一等奖，中国产学研创新成果二等奖各一项，授权发明专利100多件，发表学术论文280多篇。

 

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