Small:基于沸石分子筛材料的超低能耗忆阻突触器件

忆阻器是构筑脑启发式神经形态突触器件的理想选择之一。然而,由于忆阻突触器件内部导电通道(conductive flaments, CFs)易于产生随机性及过量生长, 其通道形貌具有不可控性,并导致器件运行能耗升高,难以与大脑中单个突触事件的能耗所比较 (~10 fJ)。针对这一问题,东北师范大学王中强教授、徐海阳教授和朱广山教授提出了一种基于沸石分子筛材料(LTA-zeolite)的忆阻型突触器件,利用分子筛的亚纳米孔道限域导电通道尺寸,实现了低于10 fJ/spike的超低能耗运行;进一步,通过电学与化学协同调制短时/长时记忆功能。相关论文在线发表在Small上,并遴选为Inside Cover做简要介绍。

忆阻器件实现超低能耗运行的两个必要条件是快速的转换时间和超低的工作电流。作为一种经典多孔化学材料,LTA型沸石分子筛(LTA-zeolite)由于具备极细的亚纳米孔道结构(0.41 nm)以及较低的离子迁移势垒(0.2 eV)等独特优势,成为发展超低能耗忆阻突触器件的候选材料。研究组首次基于LTA-zeolite构筑了一种亚10 fJ的超低能耗忆阻突触器件:在运行过程中通过使用低工作电流(<1 μA)以及快速转换时间(10 ns)成功获得了与生物神经突触相当的运行能耗(7.5 fJ)。由于LTA-zeolite亚纳米孔道内存在的Ag-Na离子交换性与生物细胞中Ca离子动力学过程高度相似,所构筑的突触器件能够成功在超低能耗运行下模拟EPSC、PPF、STDP等多种突触可塑性功能。通过研究突触器件在不同电阻状态下与温度的依赖关系,器件阻态连续可调的转换机制归因于电场作用下LTA-zeolite超笼内部银簇尺寸的调节。进一步,利用Ag-Na离子交换性调节LTA-zeolite笼内初始银含量,通过电学与化学协同调制方式实现了经验依赖式学习和记忆功能。该研究不仅能为构筑高效的忆阻神经网络打下基础,而且可以为未来化学响应型神经形态计算的发展提供新思路。

论文信息:

Zeolite-Based Memristive Synapse with Ultralow Sub-10-fJ Energy Consumption for Neuromorphic Computation

Tao Zeng, Xiaoqin Zou, Zhongqiang Wang,* Guangli Yu, Zhi Yang, Huazhen Rong, Chi Zhang, Haiyang Xu,* Ya Lin, Xiaoning Zhao, Jiangang Ma, Guangshan Zhu,* and Yichun Liu

Small

DOI:10.1002/smll.202006662