Comutação Analógica Otimizada e Funcionalidade Sináptica em Dispositivos Memristores Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si

Introdução

Em 2008, o conceito teórico de memristor do Prof. Chua [1] tornou-se realidade quando Strukov et al. publicaram seus estudos sobre a relação entre fluxo magnético e carga em um dispositivo compacto de dois terminais baseado em TiO₂ pela primeira vez [2], o que despertou o interesse de pesquisadores ao redor do globo. Além de várias aplicações potenciais variando de operações lógicas e sistemas de radiofrequência reconfiguráveis a aplicações de memória não volátil [2-4], memristores também têm sido investigados para emular funções bio-sinápticas devido à sua estrutura e dinâmica de funcionamento similares. Atualmente, é amplamente aceito que a emulação direta de funções sinápticas em um dispositivo eletrônico é crucial para o desenvolvimento de sistemas de computação neuromórfica inspirados no cérebro [5-7]. No entanto, as sinapses eletrônicas tradicionalmente projetadas são baseadas em tecnologias de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS), que sofrem do efeito gargalo de von Neumann em termos do processo complicado de execução de computação, limites de densidade de integração e dissipação de energia. Portanto, o uso de um dispositivo de dois terminais ajustável infundiu muitas oportunidades promissoras para desenvolver novas estruturas para sinapses eletrônicas, que resultam das propriedades únicas de memristores com característica não volátil, tamanho nanométrico, baixo consumo de energia, resposta mais rápida, etc. [8, 9].

Recentemente, vários materiais (ex: óxidos metálicos como ZnO₂, WO_x, SnO_x [10, 11], calcogenetos como Cu₂S, Ag₂S [12, 13], e materiais ferroelétricos como La₂O₃, Pb_0,8Ba_0,2ZrO₃ [14, 15]) têm sido investigados para o projeto e fabricação de dispositivos memristor. Para muitos dispositivos, a mudança na resistência é atribuída à migração induzida por campo de lacunas de oxigênio ou íons metálicos (ex: Ag⁺, Cu²⁺, Al³⁺) e a formação de um caminho altamente condutivo. O caminho condutivo em memristores é geralmente chamado de "filamento condutivo (CF)", que pode subsequentemente ser quebrado durante uma operação de comutação. Em geral, dois tipos de comportamentos de comutação têm sido observados em memristores, ou seja, abrupto (comutação digital) e gradual (comutação analógica). A mudança abrupta na resistência é consistente com sinal digital (0 ou 1), o que é benéfico para armazenamento de informação [16, 17].

Em contraste com comutação digital, a ajustabilidade contínua de condutância em memristores tem algumas semelhanças com uma sinapse biológica, que é a unidade celular básica para funções de aprendizado e memória no cérebro humano [18]. Em vários dispositivos memristor, as mudanças de condutância analógica usadas para emular a modulação de peso de sinapses biológicas foram realizadas [19, 20]. Ag difusivo em a-Si e memristores baseados em óxido com estruturas Pt/a-Si:Ag/Pt e Pt/SiO_xN_y:Ag/Pt imitaram com sucesso a dinâmica de Ca²⁺ ou Na⁺ em bio-sinapses [21, 22]. Similarmente, filamentos de íons/vacâncias de oxigênio em memristores baseados em óxido metálico também foram propostos para realizar funções sinápticas, incluindo potenciação de curto prazo (STP) e facilitação de pulso pareado (PPF) [23, 24]. No entanto, as regras de aprendizado biológico são diversas, e até agora, nem todas as funções sinápticas foram envolvidas nos modelos de memristor [16].

Além da seleção de materiais, o controle de crescimento e ruptura de filamento pela inserção de uma camada dielétrica adicional na estrutura "metal/camada memristiva/metal" oferece certas vantagens para emular funções sinápticas, incluindo STP e LTP bem como baixo consumo de energia. Recentemente, a fim de controlar a taxa de formação/ruptura de filamento condutivo, Wang et al. [25] demonstraram comportamento de comutação analógica inserindo uma camada de SiO₂ em um memristor baseado em TaO_x. Wan et al. [26] também realizaram comutação analógica e emularam funções STP e STDP inserindo uma camada de óxido de grafeno reduzido na estrutura de memristor Ag/SrTiO₃/FTO para controlar o crescimento excessivo de filamento de Ag. Além disso, foi relatado [27, 28] que baseado no conhecimento do material TiO_x com alta constante dielétrica (~40) e bandgap baixo (~3 eV), o desempenho do dispositivo memristor em termos de resistência a ciclos e uniformidade foi notavelmente melhorado inserindo uma camada fina de TiO₂ com a camada memristiva de HfO₂. Além disso, foi relatado [24] que devido à baixa mobilidade iônica e baixa taxa de reação redox, o filme fino de TiO_x também pode atuar como camada tampão para prevenir o crescimento excessivo de filamento condutivo, permitindo melhor comportamento sináptico e mantendo bom contato do filamento condutivo durante os processos de comutação resistiva.

Neste artigo, relatamos uma nova estrutura de dispositivos memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si e seus comportamentos de comutação analógica. Comparado com um dispositivo de camada única que foi relatado anteriormente [22, 29], descobriu-se que a inserção de uma camada TiO_x como mostrado na estrutura acima afeta o comportamento de comutação do dispositivo memristor em termos de ampliar janela de condutância e manter estado estável durante processos de comutação. Além disso, a condutância do dispositivo memristor pode ser facilmente ajustada sob trens de pulsos positivos e negativos, respectivamente. Nossos resultados recentes demonstram que obtivemos com sucesso comutação analógica confiável e emulamos fielmente funções bio-sinápticas como plasticidade de curto e longo prazo (STP e LTP), função de facilitação de pulso pareado (PPF), plasticidade dependente do tempo de pico (STDP) bem como transição STP para LTP em dispositivo memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si.

Métodos

1. Fabricação do dispositivo: como mostrado na Fig. 1a, nosso memristor foi projetado como estrutura Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si. Substratos p⁺⁺-Si (15 × 15 mm²) com resistividade de cerca de 0,01 Ω cm foram limpos por método padrão, e então os dispositivos foram fabricados neles. Todos os processos seguintes foram realizados à temperatura ambiente em um sistema de alto vácuo. Primeiro, uma camada de óxido de titânio de ~10 nm de espessura foi depositada em substratos p⁺⁺-Si por sputtering de magnetron RF usando alvo cerâmico de TiO₂ de alta pureza. Em seguida, uma camada de SiO_x:Ag de ~95 nm de espessura foi depositada por co-sputtering RF usando alvo de SiO₂ com pequenas fatias de Ag colocadas no caminho de sputtering magnético. Durante o processo de deposição, taxa de fluxo de Ar e pressão foram mantidos a 50 sccm e 20 mTorr, respectivamente, enquanto a potência RF foi mantida a 80 W. Finalmente, o eletrodo superior (TE) de camada de Ag de ~30 nm de espessura foi padronizado através de técnica de fotolitografia e lift-off na qual as camadas finas de metal foram depositadas usando sputtering de magnetron DC. O diâmetro individual do eletrodo é de cerca de 150 μm.

2. Métodos de caracterização: medidas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e análises de espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) foram realizadas para analisar a microestrutura das camadas SiO_x:Ag e TiO_x e o estado químico de átomos de Ag, respectivamente, na qual a amostra TEM foi feita primeiro usando feixe de íons focalizado (FIB, FEI Nova Nano Lab 200) e então observada sob sistema FEI Phillips CM10-Supra TEM. Caracterizações elétricas foram realizadas com analisador de semicondutor (Keithley 2636B) acoplado a uma estação de pontas. Durante a medição elétrica, vieses positivos e negativos foram definidos pela corrente fluindo entre o eletrodo superior e o inferior. Todas as medições elétricas foram realizadas à temperatura ambiente no ar.

Resultados e Discussão

Um esquemático do dispositivo e a configuração de medição é descrito na Fig. 1a. O dispositivo tem uma estrutura simples consistindo de camadas finas SiO_x:Ag e TiO_x sanduichadas entre um TE de Ag e um BE p⁺⁺-Si que é confirmado pela TEM transversal de célula memristor e mapeamento elementar mostrado na Fig. 1b e c. O estado químico de átomos de Ag na superfície de SiO_x é analisado por XPS, como mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S1. O espectro Ag3d para Ag é desconvoluído em um duplete único com energias de ligação de 368,0 eV para Ag3d_5/2 e 374,0 eV para Ag3d_3/2, que são precisamente atribuídos ao estado metálico de Ag. A imagem HRTEM no Arquivo Adicional 1: Figura S2 mostra uma seção transversal da camada TiO_x amorfa, enquanto pequenos nanoclusters de Ag são visíveis na camada SiO_x:Ag, que é provavelmente causado pela difusão externa de Ag durante o processo de preparação da amostra TEM para minimizar a energia interfacial total do sistema de materiais [22]. Além disso, a Transformada Rápida de Fourier (FFT) confirma que os nanoclusters de Ag incorporados em SiO_x são policristalinos em estrutura, como nanocristais Ag (111) e Ag (002). No dispositivo memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si, o Ag/SiO_x:Ag e o TiO_x/p⁺⁺-Si como membrana pré-sináptica e membrana pós-sináptica, respectivamente, como ilustrado na Fig. 1a. A mudança de peso sináptico via liberação de íons Ca²⁺ ou Na²⁺ em um gap entre membranas pré e pós-sinápticas chamado "fenda" pela membrana pré-sináptica quando pulsos neurais são recebidos. Similarmente, a condutância do dispositivo memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si pode ser modulada artificialmente como uma sinapse eletrônica através da migração de íons Ag sob impulsos de tensão.

A Figura 2a mostra a curva corrente-tensão (I-V) do dispositivo memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si em escala semilogarítmica. Sob viés de varredura de 0 V → +4,0 V → −4,0 V → 0 V, a curva I-V medida mostra um loop de histerese pinçado, que é uma impressão digital de um memristor. Quando um viés positivo é aplicado ao TE de Ag, um aumento gradual na corrente até o limite de corrente de conformidade (I_cc) ocorre, e o estado de resistência do dispositivo é alterado de um estado de alta resistência (HRS) para um estado de baixa resistência (LRS), que é chamado de processo "SET". Enquanto isso, quando um viés negativo é aplicado ao TE de Ag, uma diminuição na corrente ocorre, e o estado de resistência retorna a HRS de LRS, que é chamado de processo "RESET". Isso indica que a condutividade do dispositivo pode ser modulada correspondentemente com um viés de varredura positivo ou negativo, mostrando comportamento de comutação resistiva bipolar. Em vez de um aumento ou diminuição abrupta na corrente durante processos SET e RESET em regime de alta tensão, muito interessantemente, a corrente do dispositivo consecutivamente aumenta ou diminui sob varredura de tensão repetida de 0 V → +2,1 V ou 0 V → −2,1 V, como mostrado na Fig. 2b. A relação de corrente e tensão versus tempo (I-V-t) também é plotada no inseto da Fig. 2b para mostrar as mudanças na condutância mais claramente. Como em uma bio-sinapse, uma resposta óbvia do dispositivo de evolução down-up ou up-down da corrente é observada após implementação de partes consecutivas positivas (1ª-5ª) e negativas (6ª-10ª) de curvas I-V, respectivamente. O aumento contínuo (ou diminuição) na corrente durante as varreduras de tensão positivas (ou negativas) indica que a resistência do dispositivo pode ser modulada pelo modo de varredura DC. Também é observado que durante cada varredura positiva ou negativa subsequente, a curva I-V retoma onde a última parou, mostrando uma característica típica de comutação analógica para um dispositivo memristor. O desempenho de resistência do dispositivo memristor pode ser avaliado implementando uma varredura de tensão bipolar mais ampla em uma tensão de leitura de +0,3 V, como na Fig. 2c, mostrando que o dispositivo pode ser operado de forma estável e uniforme entre LRS e HRS durante operação set/reset por mais de 10³ ciclos.

O dispositivo memristor também pode ser operado sob sinais de pulso em vez de tensão de varredura DC. A Figura 2d mostra a resposta do dispositivo na forma de potenciação ou depressão após a implementação de pulsos de potenciação (viés positivo) e depressão (viés negativo) repetitivos. As amplitudes dos pulsos de potenciação e depressão são +1,2 V e −1,2 V, respectivamente, e todas as larguras e intervalos dos pulsos são fixados em 5 ms. Aqui, a modulação de condutância no dispositivo é observada independentemente de viés de pulso positivo ou negativo, que é similar à resposta sináptica na forma de potenciação ou depressão sob estímulos de potenciação e depressão, respectivamente. É obviamente encontrado que a resposta do dispositivo pode ser ajustada de ciclo a ciclo dependendo do número de pulsos de estimulação, indicando que uma potenciação e depressão estável e uniforme além da polaridade do viés aplicado pode ser usada para emular o ajuste de peso e aprimoramento de memória em uma sinapse eletrônica [30].

Para o entendimento do comportamento de comutação, os mecanismos de condução são analisados ajustando as características I-V. Para este propósito, um memristor autônomo baseado em filme fino SiO_x:Ag com estrutura de Ag/SiO_x:Ag/p⁺⁺-Si também é fabricado. Como mostrado na Fig. 3a, a resposta do dispositivo às varreduras de tensão quasi-DC indica um comportamento típico de comutação de limiar, como relatado anteriormente [29, 31]. As direções das setas mostram que o dispositivo pode ser ciclado entre os dois estados como memória volátil. No entanto, a curva I-V do dispositivo memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si mostra que a situação é bastante diferente do dispositivo memristor autônomo baseado em SiO_x:Ag. A Figura 3b mostra que o dispositivo exibe comportamentos de comutação bipolar em aspecto do LRS e HRS sob as partes positiva e negativa da curva I-V, enquanto as tensões de operação são relativamente mais altas. A Figura 3c demonstra a curva I-V do dispositivo memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si, que é ajustada como Ln(I) versus Ln(V) de dados de região positiva para HRS e LRS. Esses resultados de ajuste mostram que o comportamento de transporte de carga em HRS é consistente com um mecanismo clássico de condução limitada por carga espacial controlada por armadilhas (SCLC), que consiste em três porções como a região Ôhmica (I/V), a região da lei de Child (I/V²), e a região de aumento íngreme de corrente [32]. Enquanto isso, o comportamento linear em LRS, onde a inclinação é = 1, indica um excelente comportamento Ôhmico, como mostrado na Fig. 3c. Os diferentes comportamentos de condução em HRS e LHR são evidenciados pela formação de filamento condutivo de Ag em LRS [32]. A Figura 3d further suporta que a comutação resistiva é causada por formação/ruptura de filamento condutor. Pode-se ver que enquanto o LRS do dispositivo é independente do tamanho da célula do dispositivo, o HRS do dispositivo é proporcional ao tamanho da célula. Essa propriedade independente de tamanho no LRS tem sido geralmente observada em dispositivos de memória baseados em filamento condutor [33]. Portanto, pode-se concluir que o fenômeno de comutação resistiva no dispositivo memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si tipicamente origina-se da formação/ruptura controlada de filamento condutor sob viés de tensão positivo/negativo. As mudanças graduais na condutância podem resultar da variação do gap transversal entre TE e BE sob campo elétrico similar bem a outros relatos [34]. Então, a resistência total do dispositivo pode ser descrita como R = Rij = V/I de acordo com o circuito equivalente, onde Rij é definido como a resistência relacionada ao tamanho do gap lateral do CF entre TE e BE. Portanto, se esse gap pode ser ajustado através da modulação do tamanho do CF de Ag entre TE e BE usando um viés programado adequadamente, então a condução ou a resistência do dispositivo memristivo pode ser ajustada gradualmente.

Um modelo físico correspondente também é apresentado na Fig. 4 para interpretar o mecanismo de comutação em dispositivos memristor autônomos baseados em SiO_x:Ag e SiO_x:Ag/TiO_x. O comportamento de nanopartículas de Ag em células baseadas em SiO_x pode ser interpretado baseado em reações eletroquímicas (migração e acumulação de íons Ag e átomos Ag) entre os eletrodos bipolares similar como relatado anteriormente [22, 35]. Quando a tensão de varredura é aplicada, as nanopartículas de Ag crescem further para preencher o gap entre os eletrodos, resultando em um aumento abrupto de corrente até o nível de conformidade, e o memristor é ligado em LRS (como mostrado no painel do meio da Fig. 4a). Após remoção do viés elétrico, os nanoclusters de Ag alongados que formaram a ponte anteriormente são contraídos agora rapidamente [22], e o dispositivo retorna a HRS (como mostrado no último painel da Fig. 3a) [35], indicando comportamento de comutação de limiar bipolar em um memristor que pode ser ciclado entre os dois estados como em dispositivos de memória volátil.

A situação é bastante diferente no caso de dispositivo memristor baseado em SiO_x:Ag/TiO_x, onde a camada fina de SiO_x tem bandgap alto (~9 eV) e constante dielétrica menor (~3), mas a camada TiO_x tem bandgap baixo (~3 eV) e constante dielétrica alta (~40), o que torna o campo elétrico através da camada SiO_x maior que o da camada TiO_x, dissolvendo mais átomos de Ag na camada de comutação [28]. É a baixa mobilidade iônica e baixa taxa de reação redox do óxido de titânio que controla a migração e acumulação de átomos Ag e íons Ag através da camada interfacial [36]. Esses dois fatos, como mencionado acima, podem causar a formação de filamento em forma de nanocone de TE a BE [37]. A região metálica concentrada na forma de confinamento efetivo de crescimento de filamento na forma de nanocone de TE a BE pode oferecer controle de estados de resistência durante operação cíclica [38]. Quando o eletrodo superior de Ag é suficientemente polarizado positivamente através das camadas duplas, o campo elétrico através das camadas dielétricas é suficiente para impulsionar os íons Ag do TE de Ag para BE p⁺⁺-Si através da camada interfacial, levando a diminuir o gap efetivo entre eletrodos (como mostrado no painel do meio da Fig. 4b). Os filamentos de Ag não são dissolvidos a menos que uma tensão negativa seja aplicada e tendem a manter sua forma original mesmo quando o viés de tensão é removido. Quando uma tensão negativa é aplicada, um RESET normal começa, e CFs de Ag são parcialmente desolados (geralmente na localização mais fina) devido ao processo eletroquímico assistido termicamente [39]. O dispositivo memristor desliga e retorna a HRS (último painel da Fig. 4b), e então cicla reversivelmente entre dois estados (mostrado na Fig. 3b) como dispositivo de memória não volátil. O painel esquerdo da Fig. 4b apresenta que os filamentos formados aqui devem ser mais espessos que aqueles no painel do meio da Fig. 4a, que não podem ser dissolvidos e rompidos a menos que uma tensão negativa seja aplicada. A parte do filamento na camada SiO_x ainda é muito mais fina que a parte do nanocone na camada TiO_x, e a forma do filamento inteiro é de alguma forma como um nanocone. Então, quando um viés negativo é aplicado, o filamento será rompido rapidamente quando tensão negativa é aplicada (Fig. 3b), enquanto a tensão será further aumentada e a corrente novamente aumentada, indicando risco de SET-negativo em faixa de viés alto devido a átomos de Ag residuais existentes perto da superfície de BE.

De fato, a resistência total do memristor no HRS está apenas relacionada ao gap entre a ponta do nanocone do filamento e o eletrodo inferior, que pode ser aumentado ou diminuído ajustando o viés elétrico [33]. Essa tendência de alterar o HRS em memristores pode ser vista na Fig. 2b, na qual a corrente pode ser aumentada ou diminuída consecutivamente sob viés de varredura repetido de 0 V a +2,1 V e de 0 V a −2,1 V, respectivamente. Por outro lado, a varredura constante de uma tensão sob +2,1 V não é suficiente para formar um filamento condutor através de TE e BE. Em vez disso, o filamento condutor de Ag pode gradualmente acumular átomos de Ag, levando a uma diminuição no gap efetivo entre os eletrodos, como mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S3. Portanto, usando viés de programação adequado, a transição de comutação de limiar típica para comutação gradual pode ser realizada, e a resistência total da célula de memória pode ser ajustada através do ajuste do gap efetivo entre os eletrodos como pode ser observado em uma sinapse biológica.

Similar a uma bio-sinapse, estímulos de entrada com programação de pulso adequada podem alterar os estados de condutância do dispositivo memristor para realizar várias tarefas neurais. PPF é outro tipo de característica crucial, que pode ajustar condutância por soma temporal de estímulos de entrada e realizar várias tarefas neurais de curto prazo, incluindo filtragem e adaptação sináptica [40, 41]. A função PPF em uma bio-sinapse funciona da seguinte forma: a segunda resposta pós-sináptica torna-se maior que a da primeira durante dois estímulos de pico sucessivos, deixando o tempo de intervalo de picos menor que o tempo de recuperação [22]. A Figura 5a mostra a resposta do dispositivo, que é monitorada após implementar um par de pulsos de facilitação com amplitude +2,0 V com largura e intervalo fixos nomeados como escala de 0,08 s. Um aumento notável na corrente como resposta do segundo pulso que o primeiro é observado, indicando uma mudança aparente de estado de condutância após a implementação de programação de pulso adequada. Durante o intervalo entre dois pulsos subsequentes, um decaimento de corrente é observado, que pode ser atribuído à existência de caráter volátil no dispositivo. O decaimento na condutância pode corresponder à difusão de átomos Ag após a remoção do pulso de potenciação [42]. A função PPF bem-sucedida só pode ser executada quando o intervalo de tempo entre dois pulsos consecutivos é menor que o tempo de relaxação de difusão de átomos Ag, causando mais átomos Ag empurrados na camada SiO_x:Ag/TiO_x. Além disso, um estado de saturação é alcançado quando o dispositivo é continuamente estimulado com um número de pulsos de facilitação com amplitude +2,0 V e a mesma largura e intervalo nomeados como escala de 0,08 s, como mostrado na Fig. 5b. Os resultados mostram que quando pulsos de alta frequência são aplicados, que bombeiam mais átomos Ag na camada SiO_x até que uma ponte condutora seja formada através de TE e BE, alcançando um nível de saturação [22]. Esse fenômeno é bastante similar à regra de aprendizado de Hebb, onde as mudanças de peso sináptico devem ter um valor saturado para evitar excitabilidade excessiva de neurônios com picos de trem de pulso não contidos [43].

Além disso, o mesmo que em uma sinapse biológica, um memristor sofrerá perda de memória com uma diminuição súbita na corrente após implementação de pico de potenciação, que pode ser atribuída como a existência de STP em memristor [44, 45]. Em neurobiologia, STP e LTP são comumente atribuídos como memória de curto prazo (STM) e memória de longo prazo (LTM) [46]. Foi estabelecido que a transição STP para LTP poderia ocorrer através de estímulos repetidos (ou seja, um processo de ensaio) [46, 47]. A fim de verificar e comparar esse comportamento com aqueles observados em sinapses biológicas, uma sequência de pulsos de tensão foi implementada em nossos dispositivos memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si. A Figura 6a mostra o aumento da corrente de um estado inicial de 0,05 mA para 1,8 mA após implementação de 15 pulsos consecutivos (amplitude +1,4 V, largura e intervalo 5 ms). O decaimento de corrente normalizado ((I_t-I_o)/I_o × 100%) é medido em tensão de leitura +0,3 V imediatamente após impor pulsos de potenciação com tempo (t), como mostrado na Fig. 6b. A relação entre o decaimento de corrente normalizado e o tempo bem ajustada pela relação dada na Eq. (1) [48]:

$$ {\Delta I}_t/{\Delta I}_o\times 100\%=\exp \left[-{\left(t/\tau \right)}^{\beta}\right] $$ (1)

aqui, τ é chamado tempo de relaxação, e β é chamado índice de estiramento (0 < β < 1). Geralmente, essa relação é usada para descrever processos de relaxação em materiais desordenados com distribuição aleatória de energias. A curva mostra que o decaimento no peso sináptico é similar à curva de "esquecimento" humana na psicologia [49], que apresenta um decaimento rápido no início que poderia ser chamado STP e então gradualmente alcança um nível estável que poderia ser chamado LTP no dispositivo. No entanto, um decaimento óbvio da corrente normalizada no dispositivo é observado em um intervalo de tempo muito curto (t) e então alcança um nível de saturação em um estado de baixa condutância (até 16% em 50 s). Nessa situação, sem qualquer outra mudança nos parâmetros de pulso, realizamos um processo de simulação adicional com número repetido de pulsos. A corrente é medida em tensão de leitura de +0,3 V imediatamente após impor diferentes números de pulsos (ou seja, 25, 50, 100 e 200) do mesmo estado inicial para cada conjunto de trens de pulso. A Figura 6c mostra que o decaimento de corrente normalizado com tempo em cada conjunto de medições é ajustado pela relação dada na Eq. (1). A Figura 6d mostra que pelo aumento do número de estimulação, o tempo de relaxação (τ) aumenta, indicando que o processo de esquecimento desaparece lentamente. Enquanto isso, uma elevação óbvia do nível de corrente é observada, implicando uma mudança positiva no peso sináptico (condutância), como mostrado na Fig. 6d pela linha preta. Esses resultados apresentados na Fig. 6 fornecem evidência clara da existência de STP e LTP em nosso dispositivo. Um número menor de estimulações só pode induzir STP no dispositivo, com um leve aumento na condutância no nível de saturação. Portanto, aumentando o número de estimulações repetitivas, o processo de ensaio não apenas aumenta um nível de condutância mas também alcança um fenômeno de retenção de memória duradoura, como mostrado na Fig. 6d pela linha vermelha.

As memórias digitais convencionais requerem não volatilidade para armazenar a informação, enquanto em bio-sinapse, processos de informação e accordingly reconfiguram o status de memória. Pode-se ver na Fig. 6 que a transição de STP para LTP é realizada, e o peso sináptico é ajustado accordingly, enquanto os menos importantes com pequeno peso sináptico são temporariamente armazenados e então diminuem com o tempo. Esse fenômeno é bastante similar ao "modelo multi-armazenamento" apresentado por Atkinson e Shiffrin [50]. Neste modelo, primeiro a informação de entrada é analisada, então armazenada em diferentes níveis de hierarquia, de acordo com a importância de "peso sináptico" através do processo de ensaio. Portanto, um aumento no peso sináptico e resultante tempo de relaxação prolongado (τ) em nosso dispositivo como função de números de estimulação melhor verificou o esquema de ensaio.

Além do processo de repetição de pulso, a transição do fenômeno STP para LTP é further examinada como função de força de pulso. A resposta do dispositivo é monitorada após implementação de diferentes amplitudes de pulso, ou seja, +1,2 V, +1,6 V, +2,0 V e +2,8 V com largura e intervalo similares de escala de 3 ms, como mostrado na Fig. 7a. A corrente é monitorada com tensão de leitura de +0,3 V após impor cada trem de pulso consistindo de 50 pulsos. Os resultados ajustados com o modelo de relaxação exponencial esticada na Fig. 7a mostram que o tempo de relaxação aumenta como função de força de pulso (como mostrado na Fig. 7b linha vermelha). Enquanto isso, como mostrado na Fig. 7b, uma elevação do peso sináptico de cerca de 90% é observada em um τ maior de 43 s e amplitude +2,8 V, que é muito maior que o peso sináptico de cerca de 25% em um τ menor de 10 s e amplitude +1,2 V (como mostrado na Fig. 7b linha preta), indicando a formação de LTP. Baseado nesses resultados, é fácil encontrar que a formação e persistência de LTP em nosso dispositivo são altamente dependentes tanto de números de pulso ou amplitude de pulso. Esses resultados coincidem com os fatos de que os estados de memória, ou seja, STM e LTM, e suas estabilidades em bio-sinapses estão relacionadas às características de estímulo de entrada.

A plasticidade dependente do tempo de pico (STDP) é outro caráter fundamental para função de aprendizado e memória [51] em uma sinapse biológica. Foi relatado [52] que na sinapse eletrônica, o peso pode ser modulado por um tempo relativo de pulsos pré e pós-sinápticos. A regra STDP de Hebb funciona da seguinte forma: se o pré-pico precede o pós-pico (Δt > 0), poderia reforçar a força de conexão entre dois neurônios. Em contraste, se o pós-pico lidera o pré-pico (Δt < 0), poderia enfraquecer a força de conexão entre dois neurônios. Tais tipos de reforço e enfraquecimento de força de conexão entre dois neurônios também são chamados LTP e LTD, respectivamente [45]. Em todo o processo, a ordem de pré e pós-picos com relação ao tempo determina a polaridade da mudança de peso (ΔW). A fim de emular a regra STDP em nosso dispositivo, um par de pulsos (+1,2 V, 5 ms, e −1,2 V, 5 ms) como sinais de pré e pós-spiking são implementados, como mostrado na Fig. 8a. Pode-se ver que surgirá uma mudança de condutância mais considerável (peso sináptico) com a diminuição de Δt (em ambos os casos quando Δt > 0 e Δt < 0). A mudança percentual no peso sináptico é definida como ΔW = (G_t−G₀)/G₀ × 100%. Aqui, G₀ é a condutância medida antes da estimulação e G_t é a condutância medida após a estimulação usando pares de pré e pós-spiking, respectivamente. Um gráfico é mostrado na Fig. 8b, que pode explicar a relação entre ΔW e Δt antes e depois do processo de simulação. Pode-se ver que quando a pré-sinapse (positivo) aparece antes do pós-pico (negativo) (Δt > 0), a condutância é aprimorada com um aumento em ΔW junto com a diminuição em Δt. Pelo contrário, quando a pré-sinapse (positivo) aparece após o pós-pico (negativo) (Δt < 0), a condutância líquida do dispositivo é diminuída (deprimida) em ΔW junto com o aumento em Δt. Esses resultados demonstraram que nosso dispositivo memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si emulou com sucesso a regra de aprendizado STDP de Hebb na forma de uma sinapse artificial.

Conclusões

Em resumo, um novo tipo de dispositivo memristor com a estrutura simples de Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si foi fabricado por processo de deposição de vapor físico. As características sinápticas do memristor com ampla faixa de mudança de resistência para modulação de peso sináptico pela implementação de trens de pulsos positivos ou negativos foram investigadas extensivamente. Várias funções cruciais de aprendizado e memória foram demonstradas simultaneamente em tal dispositivo memristor fabricado individualmente, incluindo potenciação/depressão de curto/longo prazo (STP/STD, LTP/LTD), PPF e a transição STP-para-LTP bem como STDP, que são ajustados e controlados por repetição de pulsos mais que uma operação de ensaio. Além disso, a análise de características I-V logarítmicas com modelo físico correspondente indica que a formação/dissolução controlada de filamentos de Ag através dos eletrodos Ag e p⁺⁺-Si poderia melhorar o desempenho do novo dispositivo memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si com camada tampão de TiO_x entre a camada SiO_x:Ag e o eletrodo inferior. Este dispositivo desenvolvido, como uma sinapse artificial, pode trazer uma perspectiva de pesquisa potencial no design e implementação de hardware de novas redes neurais biomiméticas e sistemas de computação de próxima geração.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

BE:

Eletrodo inferior

HRS:

Estado de alta resistência

I-V:

Corrente-tensão

LRS:

Estado de baixa resistência

LTM:

Memória de longo prazo

LTP:

Plasticidade de longo prazo

PPF:

Facilitação de pulso pareado

SCLC:

Condução limitada por carga espacial

STDP:

Plasticidade dependente do tempo de pico

STM:

Memória de curto prazo

STP:

Plasticidade de curto prazo

TE:

Eletrodo superior

TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão

XPS:

Espectroscopia de fotoelétrons de raios X