多金属氧酸盐调控基于还原氧化石墨烯的闪存对神经突触的模拟

与当今时代计算机中的中央处理单元(CPU)和存储器单元中数据传输受限的情况不同,包含860亿个神经元的人脑具备超低功耗的计算能力1018 FLOPS(每秒浮点运算)。生物突触是典型皮质神经元之间用于传输和接收电化学信号的快速传导连接,具备高效地数据并行处理能力。受大脑高效率的启发,新兴的纳米电子器件和互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术被用于模拟突触功能,包括短期增强(STP),长期增强(LTP),长期抑制(LTD),成对脉冲促进(PPF),成对脉冲抑制(PPD)等,有望解决冯·诺依曼架构的瓶颈。

在生物突触中,与信号传输方向相关的突触可塑性在非对称行为方面小于15%。在生物突触中观察到的LTP和LTD对应于人工突触中连续增加和减少的电导率,其中期望的变化应该是对称的(变化方向)和线性的(差异幅度)。当前研究最活跃的人工突触器件之一是忆阻器,它可以在高电阻状态(HRS)和低电阻状态(LRS)之间转换,然而,通过连续的SET和RESET操作,忆阻器在功能上很难表现出线性或对称的电导率变化。具有额外栅极控制的基于场效应晶体管(FET)的闪存有望实现突触模拟的动态线性可塑性行为。在这种结构中,载流子可以通过相反极性电压的编程和擦除操作过程实现电荷的捕获和释放,并且可以通过判断阈值电压(Vth)的移位方向验证捕获的载流子类型。对于闪存在突触模拟中的实际应用,同时具备空穴和电子的双极捕获能够确保电导率的线性和对称性变化。然而,大多数闪存都表现出空穴或电子的单极型电荷俘获行为。

近日,深圳大学韩素婷课题组首次报道了一种多金属氧酸盐(POMs)修饰的基于还原氧化石墨烯 (RGO) 的闪存存储器,并实现了双极型电荷捕获的特点。二维石墨烯是一种便于调控的平台材料,具有原子级扩展性和可调控的费米能级,有望实现可调控的的存储特性和突触可塑性。POMs是零维n型半导体材料,具有多种氧化还原态。研究人员选择Keggin型[PW12O40]3-(PW)作为催化剂,在紫外光照射下将氧化石墨烯(GO)原位光还原成还原氧化石墨烯(RGO),PW-RGO成为电子俘获位点。PW分子接受电子的特性能够诱导PW/RGO之间的能级重构,进而实现双极型电荷捕获能力和多级数据存储特性。在此基础上,研究人员模拟了一系列生物突触的学习和记忆等突触功能,包括正负脉冲序列下的增强和抑制,成对脉冲促进(PPF)和短期增强(STP)到长时程增强(LTP)的转变。最重要的是,在对应于正和负脉冲极性的正反两个方向上实现连续线性的电流传导和对称性的变化。因此基于PW调控的RGO闪存人工突触设备展现出一种固有的优异特性,可以克服基于忆阻器人工突触的局限性。

相关研究工作以“Polyoxometalates-modulated reduced graphene oxide flash memory with ambipolar trapping as bidirectional artificial synapse”为题目发表在期刊Advanced Electronic Materials (https://doi.org/10.1002/aelm.201800444)上,论文第一作者为深圳大学博士后陈晓丽。