申見昕1)2) 尚大山1)? 孫陽1)2)?

1)(中國科學(xué)院物理研究所,北京 100190)

2)(中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

(2018年4月17日收到;2018年4月26日收到修改稿)

1 引 言

現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展對信息存儲(chǔ)器提出了越來越高的要求.根據(jù)數(shù)據(jù)保持特點(diǎn),存儲(chǔ)器基本上可以分為易失性和非易失性兩大類.所謂易失性,即在外電場去除后,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)隨即消失;而非易失性意味著在外電場去除后,數(shù)據(jù)仍然能夠保存下來.目前占據(jù)存儲(chǔ)器市場主流的易失性存儲(chǔ)器主要是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,非易失性存儲(chǔ)器主要是磁性硬盤和快閃存儲(chǔ)器.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,信息化產(chǎn)品對于存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度、擦寫速度、功耗以及非易失性等性能提出了更高的要求.為了提高存儲(chǔ)性能,人們在現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝進(jìn)一步改進(jìn)的同時(shí),不斷尋求新的存儲(chǔ)物理機(jī)制,開發(fā)新型非易失性存儲(chǔ)器件,其中包括利用材料的自發(fā)極化開發(fā)的鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)[1]、利用磁電阻效應(yīng)開發(fā)的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)[2]、利用材料可逆相變開發(fā)的相變隨機(jī)存儲(chǔ)器[3]以及利用電致阻變效應(yīng)開發(fā)的阻變隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)等多種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)[4].

多鐵性材料是近年來發(fā)展出的一類功能材料,它有望實(shí)現(xiàn)新型的存儲(chǔ)機(jī)制.這種材料具有兩種或兩種以上鐵性體的特征(鐵電序、鐵磁序和鐵彈序),并且這些鐵序之間存在直接或間接耦合作用,可以是單相材料也可以是兩相或多相復(fù)合材料[5].其中,鐵磁性和鐵電性的相互耦合使得電場控制磁性或磁場控制電性成為可能,這種物理特性為信息存儲(chǔ)提供了額外的物理狀態(tài)自由度,在開發(fā)高性能存儲(chǔ)器方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力.例如,在傳統(tǒng)的磁存儲(chǔ)器和鐵電存儲(chǔ)器中,邏輯單元中的“0”和“1”依靠不同方向的剩余磁化(M)或剩余電極化(P)來存儲(chǔ);而在具有磁電耦合效應(yīng)的多鐵性材料中,可以利用正、負(fù)磁化強(qiáng)度和正、負(fù)電極化強(qiáng)度相互組合,進(jìn)而形成四態(tài)存儲(chǔ),大大提高存儲(chǔ)密度[6].這一設(shè)想最早被Gajek等[7]所實(shí)現(xiàn).他們采用2 nm厚的多鐵性La0.1Bi0.9MnO3外延薄膜作為隧道結(jié)中的勢壘層,形成鐵磁/多鐵/非磁性金屬的多鐵隧道結(jié)結(jié)構(gòu),在4 K溫度下利用自旋過濾效應(yīng)和由電極化強(qiáng)度造成的電阻效應(yīng),在不同的電場和磁場作用下實(shí)現(xiàn)了四種隧穿電阻狀態(tài).Garcia等[8]采用鐵磁性金屬Fe作為電極制備出了Fe/BaTiO3/La0.7Sr0.3MnO3多鐵隧道結(jié),利用鐵電極化來改變隧穿電流的自旋極化,在4.2 K低溫條件下獲得了四種非易失性的隧穿磁電阻狀態(tài).隨后Pantel等[9]在Co/PbZr0.2Ti0.8O3/La0.7Sr0.3MnO3多鐵隧道結(jié)中,將實(shí)現(xiàn)四阻態(tài)的溫度提高到了50 K.雖然多鐵隧道結(jié)結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ),但是要求鐵電或多鐵性材料很薄,難以保證器件在使用過程中保持良好的鐵電性或多鐵性,而且器件工作溫度往往低于室溫.如果可以利用多鐵性材料的磁電耦合效應(yīng),通過電場對磁性的調(diào)控,有可能將鐵電存儲(chǔ)器的高速寫入、低功耗與磁存儲(chǔ)器的非破壞性、高速讀取的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,構(gòu)建具有電寫-磁讀功能的磁電隨機(jī)存儲(chǔ)器[10].

不論是磁存儲(chǔ)、鐵電存儲(chǔ)還是磁電存儲(chǔ),信息都是基于材料的不同物理狀態(tài)進(jìn)行保存和記憶的,如磁存儲(chǔ)器的磁化(M)和鐵電存儲(chǔ)器中的電極化(P).多鐵性磁電耦合材料除了具有不同的磁化狀態(tài)和電極化狀態(tài)之外,還具有一個(gè)特別的物理參數(shù)——磁電耦合系數(shù)(對于正磁電耦合效應(yīng)表示為α=?P/?H;對于逆磁電耦合效應(yīng)表示為α=?M/?E,其中H為磁場強(qiáng)度,E為電場強(qiáng)度),用于表征磁電耦合的強(qiáng)度.實(shí)際上,磁電耦合系數(shù)的大小和符號(hào)與材料的磁化和電極化密切相關(guān),是磁化和電極化在材料中的綜合體現(xiàn).在基于應(yīng)變調(diào)制的磁電耦合異質(zhì)結(jié)中,磁化強(qiáng)度-電場(M-E)關(guān)系曲線往往呈現(xiàn)出所謂的蝴蝶形狀(butter fl yshaped)[11?15](見圖1).蝴蝶形M-E關(guān)系的出現(xiàn)主要是由于磁電耦合是通過多鐵異質(zhì)結(jié)界面應(yīng)力的相互作用來實(shí)現(xiàn)的.但是,在外電場(或外磁場)去除后,應(yīng)力不能夠保持下來,導(dǎo)致通過應(yīng)力傳遞而誘發(fā)的磁性變化不能維持,即在外場為零時(shí),所產(chǎn)生的磁化或電極化的變化也回到初始狀態(tài).因此,具有蝴蝶曲線型的磁電耦合效應(yīng)是易失性的,不適合用于非易失性存儲(chǔ).然而,如果考慮磁電耦合系數(shù)本身(即M-E曲線的斜率),可以看出當(dāng)外電場超過某一臨界值(如矯頑場)時(shí),電極化方向和磁化方向相互配合使得磁電耦合系數(shù)的符號(hào)發(fā)生改變,并且這種符號(hào)變化在外場去除后可以保持.因此,磁電耦合系數(shù)具備作為非易失性存儲(chǔ)的物理狀態(tài)所應(yīng)有的特征.例如,磁電耦合系數(shù)的“α>0”和“α <0”可以用于存儲(chǔ)信息“0”和“1”.

圖1 具有非線性磁電耦合效應(yīng)的多鐵材料q-φ(或P-H)之間形成的蝴蝶形曲線Fig.1.The butter fl y-shaped hysteresis of the q-φ(or P-H)relationship of multiferroics due to the nonlinear magnetoelectric e ff ects.

本文以具有磁電耦合效應(yīng)的多鐵性異質(zhì)結(jié)作為研究對象,利用其獨(dú)特的非線性電磁關(guān)聯(lián)特性,實(shí)現(xiàn)以磁電耦合系數(shù)為存儲(chǔ)狀態(tài)的信息存儲(chǔ)功能,從全新的角度探索構(gòu)建基于磁電耦合效應(yīng)的電寫-磁讀型非易失性存儲(chǔ)器的可能性.在此基礎(chǔ)上,發(fā)展具有邏輯運(yùn)算功能和類神經(jīng)突觸記憶特性的新型存儲(chǔ)原型器件.

2 基本電路元件關(guān)系圖

將磁電耦合系數(shù)作為信息存儲(chǔ)的物理狀態(tài),不僅在器件應(yīng)用方面表現(xiàn)出很大的潛力,而且在基礎(chǔ)物理研究和基本電路理論方面也具有重要的意義.在電路理論中,存在三種基本的兩端無源線性電路元件,即電容(C)、電感(L)和電阻(R).它們是由電荷(q)、電流(i)、電壓(v)、磁通(φ)等四個(gè)基本電路變量之間的線性關(guān)系來定義的(見圖2(a)).1971年,Chua[16]提出存在第四種電路元件可以直接將q和φ聯(lián)系起來:

由于當(dāng)時(shí)沒有真實(shí)的電路元件可以真接聯(lián)系磁通和電荷,Chua對(1)式做了如下變換:

其中,t為時(shí)間.因此,可以得到

但是,Chua發(fā)現(xiàn)(4)式中M的量綱與電阻R是相同的.為了賦予M一些非平凡的意義,Chua假定M不是一個(gè)常數(shù),而是q和t的函數(shù).通過歐姆定律可以定義這種非線性的電阻元件:

M被稱為憶阻器(memristor).隨后,Chua和Kang進(jìn)一步將憶阻器的概念拓展到更廣泛的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),稱為憶阻系統(tǒng)[17],可以表示為

其中,x代表系統(tǒng)狀態(tài)變量的一個(gè)矢量,f是連續(xù)矢量方程.

Chua的工作在當(dāng)時(shí)并沒引起人們的關(guān)注.在沉寂了近40年之后,美國惠普實(shí)驗(yàn)室的Strukov等[18]在2008年宣布發(fā)現(xiàn)了滿足憶阻器定義的器件.這種憶阻器具有Pt/TiO2/Pt三明治結(jié)構(gòu),其電學(xué)行為表現(xiàn)為具有滯后且過原點(diǎn)的i-v曲線.隨后,在憶阻器的啟發(fā)下,電容和電感所對應(yīng)的非線性記憶元件,即憶容器和憶感器也被提了出來,并在實(shí)驗(yàn)上得到證實(shí)[19].但是,憶阻器作為第四個(gè)基本電路元件的物理身份仍存在質(zhì)疑[20].因?yàn)?憶阻器實(shí)際上是從i-v關(guān)系中獲得的,而不是來自于最初所提出的φ-q關(guān)系,即i-v定義的憶阻器可以在不涉及基本變量φ的條件下正常工作.Mathur[21]指出具有線性磁電耦合效應(yīng)的材料可以產(chǎn)生M和P的線性耦合,并以此可以推導(dǎo)出φ和q的直接的、線性的關(guān)系,應(yīng)當(dāng)滿足第四個(gè)基本電路元件的定義.

對于一個(gè)磁電耦合介質(zhì),根據(jù)Landau理論,其φ-q關(guān)系可以表示為[22]

圖2 (a)四個(gè)基本的電路變量,即電荷(q)、電壓(v)、電流(i)和磁通(φ)所構(gòu)成的三個(gè)基本線性電子元器件,即電阻(R)、電容(C)和電感(L);(b)基本電子元器件的完整關(guān)系圖,基中包括四個(gè)線性電子元器件R,C,L和電耦(T)以及四個(gè)非線性電子元器件(憶阻器MR、憶容器MC、憶感器ML和憶耦器MT)[22]Fig.2.(a)The four linear fundamental two-terminal circuit elements which correlate a particular pair of the four basic circuit variables,i.e.,charge q,voltage v,current i,and magnetic fl ux φ;(b)a complete relational graph of all the possible fundamental two-terminal circuit elements,both linear and nonlinear;it contains of four linear elements,the resistor(R),the capacitor(C),the inductor(L),the transtor(T),and four nonlinear memelements,the memristor(MR),the memcapacitor(MC),the meminductor(ML),and the memtranstor(MT).Symbols for transtor and memtranstor are introduced to facilitate later usage[22].

其中g(shù)為幾何因子,ε0為真空介電常數(shù),μ0為真空磁導(dǎo)率,εr為相對介電常數(shù),μr為相對磁導(dǎo)率,αd=dP/dH為正磁電耦合系數(shù),αc=μ0dM/dE為逆磁電耦合系數(shù).我們將這種基于磁電耦合效應(yīng)的線性元件命名為電耦(T),其值表示為或而認(rèn)為基于非線性i-v關(guān)系的憶阻器可以作為電阻所對應(yīng)的非線性記憶元件(如同憶容器對應(yīng)于電容、憶感器對應(yīng)于電感).相應(yīng)地,我們預(yù)言了對應(yīng)于電耦的第四個(gè)非線性記憶元件的存在,并且將這種基于磁電耦合效應(yīng)的非線性記憶元件命名為憶耦(MT).隨著電耦和憶耦的引入,我們建立了一個(gè)完整的基本電路變量之間的關(guān)系圖(圖2(b)[22]),其中包括四個(gè)線性元件(電阻、電容、電感和電耦)以及四個(gè)非線性記憶元件(憶阻器、憶容器、憶感器和憶耦器).

3 基于憶耦器的非易失性存儲(chǔ)器

根據(jù)憶耦器的定義,可以構(gòu)建出一種如圖3(a)所示的非易失性存儲(chǔ)器.該存儲(chǔ)器是由一個(gè)磁電耦合介質(zhì)和兩個(gè)電極組成的簡單的三明治結(jié)構(gòu),其電耦值(T)或者磁電耦合系數(shù)(αc或αd)可以有效地存儲(chǔ)二進(jìn)制信息.為了簡化存儲(chǔ)器的讀出和寫入操作,我們選擇具有面內(nèi)磁矩和垂直電極化的磁電耦合材料.αc的測量一般需要在磁電耦合材料上施加一個(gè)變化的電場(dE),并探測由該電場誘導(dǎo)產(chǎn)生的M變化(dM).然而,這種信息讀取方法需要增加磁性隧道結(jié)來探測磁矩的改變,所以會(huì)使器件的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜.這個(gè)問題可以通過測量αd來解決.在較低的磁場和電場范圍內(nèi),磁電耦合效應(yīng)幾乎是線性的,因此αd和αc近似相等,至少具有相同的符號(hào)[23].αd的測量相對αc的測量更為簡單,可以通過施加一個(gè)變化的磁場(dH)來探測該磁場誘導(dǎo)的P的改變(dP).在實(shí)際操作中,由于磁電耦合電壓系數(shù)(αE=dE/dH)正比于αd(αd=dP/dH),因此經(jīng)常測量材料的αE來代替αd.如圖3(b)所示,通過對樣品施加一個(gè)小的磁場(?H)并探測誘導(dǎo)出的電壓(?V)的方法來測量αE.這一測量技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在復(fù)合磁電耦合材料的研究中[24?26],這種測量方法可以讓憶耦器的寫入和讀取操作變得方便和快速.

為了驗(yàn)證上述存儲(chǔ)原理的可行性,我們制備了[Pb(Mg1/3Nb2/3)]0.7[PbTiO3]0.3(PMN-PT)/Terfenol-D多鐵性異質(zhì)結(jié)憶耦器[27].其中,PMNPT是一種常見的鐵電材料,具有較大的壓電系數(shù).而Terfenol-D是一種具有大的磁致伸縮的材料,該材料是一種由鋱(Tb)、鏑(Dy)、鐵(Fe)三種元素組成的合金,化學(xué)式為TbxDy1?xFe2(x～0.3),磁致伸縮系數(shù)超過1000 ppm(1 ppm=10?6),在磁性傳感器、換能器以及超聲波傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛.這種多鐵性異質(zhì)結(jié)通過界面應(yīng)力相互耦合,具有較大的磁電耦合系數(shù).圖4(a)展示了該器件的結(jié)構(gòu).電場(E)施加在銀電極的兩端來翻轉(zhuǎn)PMN-PT的電極化方向,直流磁場(Hdc)施加在異質(zhì)結(jié)的面內(nèi)方向來改變Terfenol-D的磁矩方向.

圖3 基于憶耦器的非易失性存儲(chǔ)器的原理圖[27] (a)單個(gè)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)示意圖,它是由兩個(gè)電極和一個(gè)憶耦器組成的三明治結(jié)構(gòu),其中憶耦器具有面內(nèi)磁矩和面外的電極化;(b)信息讀取操作示意圖,存儲(chǔ)元件的矩陣被置于產(chǎn)生小磁場的讀取線圈中,存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息可以通過測量磁電耦合系數(shù)的方法來讀取Fig.3.The principle of the non-volatile memory based on the memtranstor[27]:(a)The schematic structure of a memory element;it consists of a memtranstor medium with in-plane magnetization(M)and out-of-plane electric polarization(P)sandwiched between two electrodes;(b)the illustration of read operation;the array of memory elements is put into a read coil that generates a small magnetic fi eld;the stored binary information is read out by measuring the sign of α.

圖4 基于PMN-PT/Terfenol-D憶耦器的存儲(chǔ)器件(1 Oe=103/(4π)A/m,1 emu/cm3=103A/m)[27](a)器件的結(jié)構(gòu)和測量參數(shù),電場施加在PMN-PT的[110]方向,直流和交流磁場施加在[ˉ110]方向;(b)憶耦器的面內(nèi)磁矩隨外加電場的變化,觀察到蝴蝶形回滯曲線;(c)憶耦器的I-V曲線,電流的峰值出現(xiàn)在PMN-PT的矯頑場附近(≈±2 kV·cm?1)Fig.4.A memory device made of the PMN-PT/Terfenol-D multiferroic heterostructure[27]:(a)The structure of the device and the measurement con fi guration;the electric fi eld is applied vertically along[110]of PMN-PT and both the dc bias and ac magnetic fi elds are applied in plane along[ˉ110]of PMNPT;(b)the in-plane magnetization of the device as a function of electric fi eld;a butter fl y-shaped hysteresis is observed;(c)the current-voltage curve of the device;the current peaks re fl ect the reversal of P of PMN-PT at coercive fi elds≈ ±2 kV·cm?1.

圖4(b)展示了PMN-PT/Terfenol-D憶耦器的M-E關(guān)系.憶耦器在面內(nèi)方向的磁矩隨著施加的垂直方向電場的變化而發(fā)生改變,最終ME呈現(xiàn)出蝴蝶形狀的回滯曲線.磁矩M的轉(zhuǎn)變點(diǎn)接近±2 kV·cm?1,這與圖4(c)中PMN-PT的極化電流峰值的位置相同.這是因?yàn)殍F電體發(fā)生鐵電極化翻轉(zhuǎn)時(shí)束縛在鐵電體兩端的電荷會(huì)釋放出來并積累異號(hào)的電荷,從而在電極化翻轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生極化電流.因此,極化電流峰的位置附近即對應(yīng)鐵電體的矯頑場.此外,逆磁電耦合系數(shù)αc= μ0dM/dE= μ0dM/dεxx·dεxx/dE,其中,εxx為面內(nèi)方向的應(yīng)力,dεxx/dE為PMN-PT壓電系數(shù)的倒數(shù).PMN-PT壓電系數(shù)的符號(hào)與電極化方向有關(guān)[28].當(dāng)電極化P的方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)后,PMN-PT壓電系數(shù)的符號(hào)發(fā)生改變,αc的符號(hào)也隨之反號(hào).所以磁矩M的轉(zhuǎn)變點(diǎn)與PMN-PT的矯頑場符合.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了憶耦器作為存儲(chǔ)器件的原理:當(dāng)電極化P翻轉(zhuǎn)后,磁電耦合系數(shù)αc跟著發(fā)生反號(hào).

圖5(a)展示了憶耦器的磁電耦合電壓系數(shù)αE隨M和P的變化.在測量αE之前,需在憶耦器上施加4 kV·cm?1的電場來設(shè)置電極化P的方向.之后,測量αE隨面內(nèi)直流磁場的變化.當(dāng)P方向向上時(shí)(紅色曲線),因?yàn)樵诟叽艌鰠^(qū)域M已經(jīng)飽和,并且Terfenol-D的磁致伸縮系數(shù)接近0,所以αE的數(shù)值非常小.當(dāng)磁場從10 kOe減少到0時(shí),αE逐漸變大,在1 kOe時(shí)出現(xiàn)最大值(≈ 160 mV·cm?1·Oe?1), 此時(shí)Terfenol-D的磁致伸縮系數(shù)也達(dá)到峰值.當(dāng)磁場從正值變化到負(fù)值時(shí),αE也由正變?yōu)樨?fù),并且在?1 kOe時(shí)有最小值(≈ ?160 mV·cm?1·Oe?1). 當(dāng)P 方向翻轉(zhuǎn)時(shí)(黑色曲線),αE隨磁場的變化情況與之前完全相反,αE在正磁場下為負(fù)值,在負(fù)磁場下為正值.因此,αE的符號(hào)依賴于M和P的相對關(guān)系:當(dāng)P的方向固定時(shí),能夠通過翻轉(zhuǎn)M的方向來翻轉(zhuǎn)αE的符號(hào);當(dāng)M的方向固定時(shí),能夠通過翻轉(zhuǎn)P的方向來翻轉(zhuǎn)αE的符號(hào).基于第二種情況,憶耦器可以作為一種新型的非易失性存儲(chǔ)器.此外,αE隨磁場變化的曲線表現(xiàn)出很微弱的回滯現(xiàn)象.因此,當(dāng)磁場降為0時(shí),αE并不為0,這使得憶耦器在實(shí)際應(yīng)用中更有優(yōu)勢.

變化P的方向能夠翻轉(zhuǎn)αE的符號(hào)這一現(xiàn)象可通過應(yīng)力耦合的磁電耦合效應(yīng)來解釋.復(fù)合多鐵材料的磁電耦合系數(shù)可以表示為αd=dP/dH=(dP/dλP)(dλM/dH),其中dλP是鐵電層垂直方向應(yīng)變的變化量,dλM是磁性層受面內(nèi)小磁場誘導(dǎo)產(chǎn)生的面內(nèi)方向應(yīng)變的變化量[24],dλM/dH是磁性層的磁致伸縮系數(shù),dP/dλP是鐵電層壓電系數(shù)的倒數(shù).當(dāng)P反號(hào)時(shí),dP/dλP也會(huì)發(fā)生反號(hào),而此時(shí)dλM/dH保持不變.因此,磁電耦合系數(shù)的符號(hào)就會(huì)翻轉(zhuǎn).需要指出的是,為了讓反轉(zhuǎn)的P不會(huì)影響M的方向,憶耦器的磁性層需要足夠的厚度.

憶耦器作為記憶元件必須能夠重復(fù)讀取和寫入二進(jìn)制信息.圖5(b)展示了憶耦器在沒有偏置磁場存在的情況下αE的重復(fù)翻轉(zhuǎn).首先對憶耦器施加+4 kV·cm?1的脈沖電場,測量αE,測量時(shí)間100 s;然后再施加?4 kV·cm?1的脈沖電場來翻轉(zhuǎn)P,再測量αE,測量時(shí)間100 s;最后多次重復(fù)上述過程.由于圖5(a)中的微小回滯,αE在0偏置磁場下并沒有降為0.盡管直流偏置磁場降為0后,αE的數(shù)值隨之從～ 160 mV·cm?1·Oe?1降為～ 7 mV·cm?1·Oe?1,但是仍然能夠清晰地分辨出αE在重復(fù)性電場脈沖作用下的連續(xù)翻轉(zhuǎn).

鐵電體除了具有傳統(tǒng)的上下兩種極化狀態(tài)外還具有多態(tài)極化[29].通過調(diào)整極化向上和極化向下的鐵電疇的比例,可以獲得在兩個(gè)飽和值(+PS和?PS)之間的電極化狀態(tài).當(dāng)M的方向保持不變時(shí),對于不同P的狀態(tài),憶耦器的磁電耦合系數(shù)αE也具有不同的值.因此,通過使用磁電耦合系數(shù)來存儲(chǔ)信息,可以實(shí)現(xiàn)多態(tài)非易失性存儲(chǔ).

圖5 (a)憶耦器的磁電耦合系數(shù)隨施加的直流偏置磁場的變化;(b)在無偏置磁場下憶耦器的α隨時(shí)間的變化及(c)相應(yīng)的施加電場隨時(shí)間的變化;(d)αE的八態(tài)轉(zhuǎn)換及(e)相應(yīng)的施加電場隨時(shí)間的變化[27,30]Fig.5.(a)The magnetoelectric coefficient α of the memtranstor as a function of dc bias magnetic fi eld;(b) α of the device as a function of time measured without a dc bias magnetic fi eld;(c)the applied electric fi eld as a function of time;(d)eight-level switch of αE;(e)the applied electric fi eld as a function of time[27,30].

可以通過仔細(xì)調(diào)節(jié)電場E的大小來實(shí)現(xiàn)αE的多態(tài)(2n)非易失性翻轉(zhuǎn)[30].圖5(d)和圖5(e)展示了αE的八態(tài)(23)翻轉(zhuǎn).首先施加+4 kV·cm?1的電場將αE設(shè)定到正的最大值,并將其作為初始狀態(tài).向憶耦器施加設(shè)定的負(fù)電場脈沖來全部或者部分翻轉(zhuǎn)鐵電疇從而使αE處于不同的狀態(tài).每個(gè)電場脈沖施加過后,αE的狀態(tài)得到了保持,并沒有明顯的衰減.因此,我們能夠在αE的正、負(fù)最大值之間選擇合適的中間態(tài),從而實(shí)現(xiàn)多態(tài)非易失存儲(chǔ).需要指出的是,為了確保每次施加負(fù)電場脈沖后獲得的αE數(shù)值相同,在寫入不同的狀態(tài)之前需要施加+4 kV·cm?1的電場脈沖來將憶耦器重置到初始狀態(tài).

憶耦器的兩態(tài)和多態(tài)存儲(chǔ)原理在P(VDFTrFE)有機(jī)鐵電薄膜與Metglas所構(gòu)成的多鐵異質(zhì)結(jié)中也得到了驗(yàn)證[31].由于鐵電極化翻轉(zhuǎn)電壓可以隨鐵電薄膜厚度的減小而大幅降低,因此,薄膜憶耦器更具有實(shí)用性.此外,除復(fù)合多鐵材料外,基于六角鐵氧體的單相多鐵材料的憶耦器也被制備出來,并演示了非易失性存儲(chǔ)的功能[32].

鑒于磁電耦合材料自身的物理特性,采用憶耦器進(jìn)行信息存儲(chǔ)具有以下幾方面的潛在優(yōu)勢.首先是結(jié)構(gòu)簡單.存儲(chǔ)單元可以采用傳統(tǒng)的三明治結(jié)構(gòu),其包括上、下兩個(gè)電極與中間的磁電耦合存儲(chǔ)介質(zhì)材料.電場通過電極作用到磁電耦合材料上.其次,從材料選擇上來看,目前已發(fā)現(xiàn)的磁電耦合材料中,鐵磁/鐵電復(fù)合構(gòu)成的多鐵異質(zhì)結(jié)通常在室溫就可以得到較大的磁電耦合系數(shù),特別是在共振頻率時(shí),并且多鐵異質(zhì)結(jié)的材料選擇范圍廣泛,易與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝相兼容.再者,寫入操作通過在電極兩端施加脈沖電壓來實(shí)現(xiàn),這與FRAM和RRAM類似.讀取過程避免了FRAM中對材料電極化的破壞性讀取和MRAM中對M的間接讀取,所以憶耦器有利于獲得高的讀寫次數(shù).此外,在功耗方面,由于所采用的材料都為絕緣體材料,依靠電場進(jìn)行信息的寫入,操作過程不涉及電流的引入.因此,存儲(chǔ)器的功耗有望大大降低.盡管讀取過程涉及到產(chǎn)生一個(gè)小的脈沖磁場(～1 Oe),但是并行讀取的方式使得讀取大密度存儲(chǔ)器的每一個(gè)存儲(chǔ)單元平均消耗的能量大大降低.

4 基于憶耦器的布爾邏輯運(yùn)算

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,對計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)和處理能力都有了更高的要求,而由于半導(dǎo)體工藝已經(jīng)逼近物理極限,因此在后摩爾時(shí)代急需發(fā)掘新的信息存儲(chǔ)和運(yùn)算的原理.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)采用運(yùn)算器和存儲(chǔ)器分離的馮·諾依曼架構(gòu),這種架構(gòu)使得運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸成為限制系統(tǒng)性能的瓶頸(稱為馮·諾依曼瓶頸),大大限制了計(jì)算機(jī)性能的提高;同時(shí),現(xiàn)代計(jì)算機(jī)采用的運(yùn)算器和主存儲(chǔ)器(如DRAM)都是易失性器件,不僅在斷電后信息不能保存,并且具有較高的能耗.因此,在過去的幾十年里,人們?yōu)榘l(fā)展邏輯和記憶共存的非馮·諾依曼架構(gòu)的計(jì)算系統(tǒng)付出了巨大的努力,包括阻變存儲(chǔ)器、磁性隧道結(jié)、相變存儲(chǔ)器等各種非易失性存儲(chǔ)器都被用來嘗試發(fā)展非易失的邏輯功能[33?39].憶耦器的多態(tài)非易失性存儲(chǔ)性能具有發(fā)展為非易失性邏輯門的潛力.

如圖6(a)所示,Ni/PMN-PT/Ni憶耦器[40]采用簡單金屬Ni作為磁性層來替代復(fù)雜的Terfenol-D.我們使用磁控濺射的方法在200μm厚的PMNPT單晶上、下兩面分別濺射厚度為1μm的金屬Ni,從而形成Ni/PMN-PT/Ni這樣一個(gè)三明治結(jié)構(gòu).此時(shí),Ni不僅是磁性層,也可以作為憶耦器的電極.圖6(b)展示了Ni/PMN-PT/Ni憶耦器的磁電耦合系數(shù)隨外界直流磁場的變化.在測量αE之前,憶耦器的鐵電極化被翻轉(zhuǎn)到同一方向.與PMN-PT/Terfenol-D憶耦器相比,Ni/PMN-PT/Ni憶耦器的αE有更寬的滯后曲線,并且在零磁場下仍有較大的磁電耦合系數(shù).αE在零磁場下的偏置被稱為自偏置(self-bias),由于αE∝ αd=dP/dH=(dP/dλP)(dλM/dH),其中dP/dλP是與磁場無關(guān)的項(xiàng),因此αE∝dλM/dH對于磁致伸縮材料λ∝M2,故而αE∝dM2/dH[41].由于Ni與Terfenol-D的磁疇結(jié)構(gòu)不同,Ni具有更寬的M-H回線,導(dǎo)致(dM2/dH)-H曲線的洄滯更大,從而形成更明顯的自偏置.在實(shí)際應(yīng)用中,直流磁場的加入會(huì)增加器件的復(fù)雜性,并且容易對其他器件產(chǎn)生干擾.零磁場下大的磁電耦合系數(shù)可以避免直流磁場的存在,因此對于憶耦器的實(shí)際應(yīng)用更為有利.

圖7展示了使用單個(gè)Ni/PMN-PT/Ni憶耦器來實(shí)現(xiàn)或非(NOR)和與非(NAND)邏輯門.NOR是一個(gè)具有兩路輸入的通用布爾邏輯門.當(dāng)兩路同時(shí)輸入邏輯“0”時(shí),NOR邏輯門會(huì)輸出“1”,輸入除此以外的其他邏輯時(shí),都會(huì)輸出“0”.邏輯操作被分為三個(gè)階段:首先,初始化憶耦器,使得αE處于正的最大值狀態(tài).之后,輸入兩個(gè)電壓脈沖X1和X2組成的脈沖序列.輸入的電壓脈沖的數(shù)值高低被分別定義為邏輯“1”和“0”.最后,通過讀取磁電耦合系數(shù)的方法來讀出計(jì)算結(jié)果.

圖6 (a)Ni/PMN-PT/Ni憶耦器的結(jié)構(gòu)與測試示意圖;(b)憶耦器的αE隨外界直流磁場和電極化方向的變化[40]Fig.6.(a)Schematic of the Ni/PMN-PT/Ni memtranstor structure and the measurement con fi guration;(b)the magnetoelectric voltage coefficient αEas a function of dc magnetic fi eld with the PMN-PT layer pre-poled to+PS and?PS,respectively[40].

圖7 基于單個(gè)憶耦器的非易失性邏輯門[40] (a)器件的結(jié)構(gòu)和操作示意圖;(b)NOR和NAND邏輯的真值表;(c)Ni/PMN-PT/Ni憶耦器的演示NOR邏輯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(d)Ni/PMN-PT/Ni憶耦器的演示NOR邏輯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7.Nonvolatile NOR logic based on a single memtranstor[40]:(a)The schematic of the device structure and operations;(b)the truth table of NOR operation;(c)experimental results obtained on the Ni/PMN-PT/Ni memtranstor demonstrating the NOR operation;(d)experimental results obtained on the Ni/PMN-PT/Ni memtranstor demonstrating the NAND operation.

如圖7(c)所示,憶耦器在初始化后,當(dāng)輸入的X1和X2都為低值(10 V)時(shí),因?yàn)闆]有改變憶耦器的狀態(tài),因此輸出的磁電耦合電壓保持正的高值.當(dāng)X1和X2中僅有一個(gè)為高值(60 V)時(shí),一部分鐵電疇翻轉(zhuǎn),αE從正的高值降為正的低值.當(dāng)X1和X2都為高值(60 V)時(shí),更多的鐵電疇發(fā)生翻轉(zhuǎn),αE成為負(fù)值.在此方案中,高的磁電耦合電壓被定義為邏輯“1”,低的和負(fù)的磁電耦合電壓被定義為邏輯“0”.最終,計(jì)算結(jié)果與NOR的真值表相符(圖7(b)).

NAND是另一個(gè)具有兩路輸入的通用布爾邏輯門.當(dāng)兩路同時(shí)輸入邏輯“1”時(shí),NAND邏輯門會(huì)輸出“0”,輸入除此以外的其他邏輯時(shí),都會(huì)輸出“1”.圖7(d)展示了憶耦器實(shí)現(xiàn)NAND邏輯的原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果.憶耦器在初始化后,兩個(gè)電壓脈沖序列X1和X2被依次輸入.低的輸入電壓(10 V)被設(shè)定為邏輯“0”,高的輸入電壓(58 V)被設(shè)定為邏輯“1”.輸出的正磁電耦合電壓被認(rèn)定為邏輯“1”,輸出的負(fù)的磁電耦合電壓被認(rèn)定為邏輯“0”.輸入的低電壓(10 V)不會(huì)影響鐵電疇的方向,因此輸出的磁電耦合電壓會(huì)保持正的高值(邏輯“1”).輸入一個(gè)高電壓(58 V)和一個(gè)低電壓(10 V)會(huì)導(dǎo)致部分的鐵電疇翻轉(zhuǎn),但是磁電耦合電壓仍然維持正值(邏輯“1”).只有輸入的均為高電壓(58 V)時(shí),大部分的鐵電疇才會(huì)翻轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致輸出的磁電耦合電壓為負(fù)值(邏輯“0”).最終,計(jì)算結(jié)果與NAND的真值表相符(圖7(b)).

以上的實(shí)驗(yàn)成功地演示了使用單個(gè)憶耦器實(shí)現(xiàn)非易失性邏輯門NOR和NAND.NOR和NAND是通用邏輯門,其他的邏輯門都可以基于它們來實(shí)現(xiàn).相比于傳統(tǒng)的COMS邏輯門,憶耦器的邏輯操作有些不同之處.首先,基于憶耦器的邏輯門是非易失的,能夠降低邏輯器件靜態(tài)能耗.其次,基于憶耦器的邏輯門采用順序操作而不是COMS中常

用的并行操作.許多基于憶阻器的邏輯器件也采用順序操作[35,36,38,39,42].盡管順序操作可能會(huì)使得完成一個(gè)邏輯操作所消耗的時(shí)間更長,但是可以通過減少單個(gè)器件所占據(jù)的面積來提高整個(gè)芯片的處理能力.與憶阻器一樣,憶耦器也能夠在同一個(gè)芯片中同時(shí)兼顧記憶和運(yùn)算,從而大大降低數(shù)據(jù)從記憶電路傳輸?shù)竭壿嬰娐匪璧臅r(shí)間.值得注意的是,存在其他一些利用磁電耦合效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)邏輯功能的方法[43?45],這些邏輯功能常常基于外場控制下的電阻狀態(tài)的改變.此外,憶耦器是高度絕緣的,因此通過磁電耦合系數(shù)來實(shí)現(xiàn)邏輯功能有望進(jìn)一步降低器件能耗.

5 憶耦器模擬人工神經(jīng)突觸可塑性

人類的大腦是一個(gè)高效的信息存儲(chǔ)與計(jì)算系統(tǒng),而且具有非常低的功耗(約20 W).這主要來自于人腦對信息獨(dú)特的處理方式.人腦是一個(gè)由約1011個(gè)神經(jīng)元和1015個(gè)突觸構(gòu)成的高度互連、大規(guī)模并行、結(jié)構(gòu)可變的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò).在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,神經(jīng)元被認(rèn)為是大腦的計(jì)算引擎,它并行地接受來自與樹突相連的數(shù)以千計(jì)的突觸的輸入信號(hào).突觸可塑性即是通過特定模式的突觸活動(dòng)產(chǎn)生突觸權(quán)重變化的生物過程,這個(gè)過程被認(rèn)為是大腦學(xué)習(xí)和記憶的源頭[46].可以看出,人腦是一種典型的非馮·諾依曼構(gòu)架,即存儲(chǔ)與計(jì)算于一體的并行信息處理模式,并且還具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力、高的容錯(cuò)能力和抗干擾能力.隨著計(jì)算數(shù)據(jù)復(fù)雜度的提高,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)型信息處理模式的效率將會(huì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)[47].為了實(shí)現(xiàn)這種神經(jīng)形態(tài)信息存儲(chǔ)與計(jì)算特性,人們已經(jīng)嘗試采用傳統(tǒng)硅基器件和電路來模擬神經(jīng)形態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算功能[48].由于模擬單個(gè)神經(jīng)元功能所需要的器件多、電路復(fù)雜,在大規(guī)模集成方面仍然面臨著高密度和低能耗的挑戰(zhàn).近年來,憶阻器在模擬人類大腦神經(jīng)突觸的功能方面展現(xiàn)了巨大潛力[49?51].隨著憶阻器的出現(xiàn),利用單一電子器件實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突觸可塑性和計(jì)算功能的模擬引起了人們的極大興趣,形成了一個(gè)新的前沿研究方向——突觸電子學(xué)(Synaptic Electronics)[52].

憶耦器與憶阻器具有相似的功能,可用于突觸可塑性的模擬[53].圖8(b)顯示了在電壓脈沖作用下,Ni/PMN-PT/Ni磁電耦合電壓VME的變化.可見,隨著脈沖電壓的升高,VME從負(fù)值(?5μV)逐漸增加至正值(13μV).在反向電壓脈沖的作用下,VME逐漸降低至?5μV.所得到的每一個(gè)VME值都具有很好的穩(wěn)定性和保持性(見圖8(b)內(nèi)插圖).在合適的脈沖電壓條件下,VME的變化還可以通過只改變脈沖數(shù)目實(shí)現(xiàn)(見圖8(c)).這種VME的連續(xù)可逆變化與生物學(xué)中突觸的信息傳遞行為非常相似.在生物學(xué)中,突觸是連接前神經(jīng)元和后神經(jīng)元的部位(見圖8(a)).在外界刺激下,前神經(jīng)元產(chǎn)生動(dòng)作電位并經(jīng)過突觸傳遞至后神經(jīng)元,并產(chǎn)生興奮性后神經(jīng)元電位(EPSP)或抑制性后神經(jīng)元電位(IPSP),同時(shí)突觸的權(quán)重(即連接強(qiáng)度)發(fā)生變化.信息的記憶和學(xué)習(xí)就是突觸權(quán)重變化的結(jié)果.我們可以把憶耦器作為一個(gè)人工突觸器件,其中電耦值相當(dāng)于突觸權(quán)重,所產(chǎn)生的VME相當(dāng)于EPSP或IPSP.外加電壓脈沖起到了動(dòng)作電位的作用.因此,VME的增加和減小分別對應(yīng)于突觸權(quán)重的增強(qiáng)和抑制,即突觸的可塑性.

神經(jīng)生物學(xué)研究表明,神經(jīng)突觸的學(xué)習(xí)功能取決于連接突觸前后神經(jīng)元的激發(fā)相對時(shí)間,當(dāng)前、后神經(jīng)元激發(fā)相差時(shí)間小時(shí),權(quán)重變化較大.隨著相差時(shí)間的延長,權(quán)重變化逐漸減弱(見圖9(a)).這種行為稱為脈沖時(shí)間依賴可塑性行為(spikingtime-dependent plasticity,STDP)[46].為了模擬突觸的STDP行為,我們設(shè)計(jì)了兩個(gè)Ni/PMN-PT/Ni憶耦器的脈沖電壓觸發(fā)序列,分別對應(yīng)于突觸的前、后激發(fā)脈沖(見圖9(c)).前激發(fā)脈沖序列包含7個(gè)抑制(負(fù)電壓)脈沖(脈沖寬度為10 ms,脈沖電壓從?1 V逐漸變化到?25 V)和7個(gè)增強(qiáng)(正電壓)脈沖(脈沖寬度為10 ms,脈沖電壓從25 V逐漸變化到1 V),脈沖間隔為10 ms.后激發(fā)脈沖序列包含兩個(gè)脈沖寬度為10 ms、脈沖間隔10 ms的脈沖,脈沖電壓分別為25 V和?25 V.前、后兩個(gè)脈沖序列在不同時(shí)間下的疊加結(jié)果反映了作用在憶耦器上的有效電壓大小.例如,當(dāng)前激發(fā)脈沖序列比后激發(fā)脈沖序列提前20 ms時(shí)(?t=20 ms),后激發(fā)脈沖序列的正電壓部分與前激發(fā)脈沖序列的第二個(gè)增強(qiáng)脈沖疊加,疊加后的脈沖電壓超過增強(qiáng)閾值電壓(Vth1)使得憶耦器突觸的權(quán)重增強(qiáng).而當(dāng)前激發(fā)脈沖序列比后激發(fā)脈沖序列落后20 ms時(shí)(?t=?20 ms),后激發(fā)脈沖序列的負(fù)電壓部分與前激發(fā)脈沖序列的第二個(gè)抑制脈沖疊加,疊加后的脈沖電壓超過抑制閾值電壓(Vth2)使得憶耦器突觸的權(quán)重減弱.憶耦器突觸權(quán)重的變化大小可以通過調(diào)節(jié)前、后激發(fā)脈沖序列的相對時(shí)間?t以及作用的脈沖數(shù)目來調(diào)節(jié).通過改變?t的值(從?90 ms至90 ms),突觸STDP學(xué)習(xí)行為可以在憶耦器中模擬出來(見圖9(b)).由于憶耦器的VME值在脈沖電壓不變的情況下可以通過改變觸發(fā)脈沖數(shù)目實(shí)現(xiàn),因此可以對前激發(fā)脈沖序列進(jìn)行簡化.如圖9(e)所示,采用兩個(gè)極性相反但寬度不同的脈沖(分別為60 ms和10 ms)構(gòu)成前激發(fā)脈沖序列.此時(shí),由于前、后激發(fā)脈沖序列中的脈沖電壓均為常數(shù),相疊加后也為常數(shù).因此,突觸權(quán)重的變化只取決于作用的脈沖個(gè)數(shù)與?t的正負(fù)(見圖9(d)).

圖8 (a)生物神經(jīng)元和突觸示意圖,右插圖為信息的傳遞通過作用電勢釋放神經(jīng)遞質(zhì),引發(fā)激發(fā)后突觸電勢(EPSP)和抑制后突觸電勢(IPSP)來完成,左插圖為外加電壓脈沖改變憶耦器中的極化狀態(tài),隨即改變憶耦器磁電耦合狀態(tài),使得磁電耦合電壓(VME)改變,VME起到EPSP/IPSP的作用;(b)EPSP/IPSP(即VME)在變電場脈沖序列(脈沖寬度10 ms,間隔100 s)作用下的變化;(c)EPSP/IPSP(即VME)在恒電場(2.5 kV/cm)脈沖序列(脈沖寬度10 ms,間隔100 s)作用下的變化[53]Fig.8.(a)Schematic illustration of biological neurons and synapses.Right inset:the information transmission between neurons occurs via propagation of action potentials through the axon and release of neurotransmitters,which causes excitatory postsynaptic potentials(EPSP)and inhibitory postsynaptic potentials(IPSP)that would in turn propagate in the postsynaptic axon.Left inset:the memtranstor-based synapse transmits information by applying voltage pulses to change the polarization and subsequently change the magnetoelectric coupling to produce the VMEvariation.The VMEplays a role of either EPSP(increase of VME)or IPSP(decrease of VME)in the postsynaptic axon.(b)The evolution of the EPSP/IPSP(i.e.,VME)by applying trains of voltage pulses(bottom part)with a fi xed time width of 10 ms spaced 100 s apart and increasing amplitude.The VMEwas measured at the pulse spacing.Insets in(b)present enlarged views of each obtained EPSP/IPSP that shows good stability and can last for a certain period of time(100 s for each step).(c)The evolution of the EPSP/IPSP(i.e.,VME)by applying voltage pulses with 10 ms width and a constant amplitude of E=2.5 kV·cm?1[53].

利用這種簡化的STDP學(xué)習(xí)行為,我們構(gòu)建了一個(gè)憶耦器陣列來模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)行為.這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有16個(gè)前神經(jīng)元和1個(gè)后神經(jīng)元.16個(gè)前神經(jīng)元通過16個(gè)突觸與后神經(jīng)元連接,每一個(gè)突觸權(quán)重對應(yīng)于一個(gè)4×4圖像的像素點(diǎn).我們采用了一種隨機(jī)噪聲學(xué)習(xí)方法,將圖像和噪聲交替地用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí),圖像和噪聲的出現(xiàn)概率各占50%.其中噪聲由兩個(gè)隨機(jī)出現(xiàn)的像素點(diǎn)構(gòu)成(見圖10(a)).在學(xué)習(xí)過程中,我們設(shè)定對應(yīng)于圖像的前神經(jīng)元將激發(fā)一個(gè)前脈沖至后神經(jīng)元,并在間隔?t時(shí)間后(?t<50 ms),后神經(jīng)元對所有的前神經(jīng)元激發(fā)一個(gè)后脈沖.這時(shí),后脈沖與前脈沖產(chǎn)生疊加,使對應(yīng)于圖像的突觸得到增強(qiáng).而其他非對應(yīng)圖像的突觸由于沒有疊加產(chǎn)生而不發(fā)生變化.前神經(jīng)元在上一個(gè)前脈沖結(jié)束后立即激發(fā)另一個(gè)對應(yīng)于噪聲圖像的前脈沖,其與上一個(gè)后脈沖相疊加,使得對應(yīng)于噪聲的突觸權(quán)重得到抑制.以上兩個(gè)前脈沖和一個(gè)后脈沖的激發(fā),稱為一個(gè)學(xué)習(xí)過程(見圖10(b)).圖10(c)顯示了對三種圖像依次進(jìn)行學(xué)習(xí)的結(jié)果.在初始條件下,突觸權(quán)重被隨機(jī)賦值.在對圖像1進(jìn)行300次學(xué)習(xí)后,突觸權(quán)重分布與所學(xué)習(xí)的圖像基本符合.此后依次對圖像2和圖像3進(jìn)行學(xué)習(xí),在300次學(xué)習(xí)后,突觸權(quán)重分布分別對應(yīng)于圖像2和圖像3的形狀.如圖10(d)所示,學(xué)習(xí)準(zhǔn)確率可以達(dá)到91.3%.隨著噪聲圖像點(diǎn)的增加,學(xué)習(xí)下降為86.9%,表明憶耦器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)效率對于不可控噪聲輸入具有一定的抵抗能力.

圖9 (a)海馬神經(jīng)元在重復(fù)相關(guān)激發(fā)下的后突觸電流變化;(b)表現(xiàn)出經(jīng)典STDP特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與(c)對應(yīng)的脈沖序列;(d)表現(xiàn)出簡化STDP特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與(e)對應(yīng)的脈沖序列;Vth1和Vth2分別為可以誘發(fā)突觸增強(qiáng)和抑制的閾值電壓[46,53]Fig.9.(a)The measured change in excitatory postsynaptic current(EPSC)of rat hippocampal neurons after repetitive correlated spiking;(b)the experimental data showing the conventional STDP characteristic and(c)the corresponding voltage pulse scheme;(d)the experimental data following a simpli fi ed STDP characteristic and(e)the corresponding voltage pulse scheme.Vth1and Vth2are the threshold voltage that can induce potentiation and depression of synapses,respectively.By superimposing pre-and post-spike potentials,the overall potential on the synapse will be above the Vth1/Vth2,resulting in the change of the synaptic weight[46,53].

圖10 (a)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬示意圖,前神經(jīng)元層中16個(gè)神經(jīng)元分別通過16個(gè)突觸權(quán)重為wi的憶耦器突觸與后神經(jīng)元相連,三種形狀的圖片和一張隨機(jī)噪聲圖片用來學(xué)習(xí);(b)一次學(xué)習(xí)過程,其包括一次圖片學(xué)習(xí)和一次噪聲學(xué)習(xí),圖片學(xué)習(xí)產(chǎn)生長程增強(qiáng)(LTP),噪聲學(xué)習(xí)產(chǎn)生長程抑制(LTD);(c)憶耦器突觸權(quán)重分布隨學(xué)習(xí)次數(shù)的變化;(d)憶耦器網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確度隨噪聲圖片中噪聲像素點(diǎn)數(shù)的變化[53]Fig.10.(a)Schematic illustration of the simulated neuromorphic network.The pre-neuron layer with 16 neurons is fully connected to one post-neuron through 16 memtranstor synapses with synaptic weight wi.Three patterns and one random noise image are used for learning.The pre-neuron layer derives pre-spikes in response to the presentation of pattern or noise.(b)Schematic illustration of the pulse scheme in one epoch where one pattern and then one noise are presented.Long-term potentiation(LTP)and long-term depression(LTD)that occurs in the case of pattern and noise presentation,through the simpli fi ed STDP learning.(c)Evolution of the synaptic weight map during learning.Initial synaptic weights are set randomly.(d)The saturation value of the learning accuracy as a function of the pixel number in noise.The red circles represent the average value from 1000 to 2000 epochs where the accuracy values reach the saturation level.The blue and the green dashed lines indicate the maximum and minimum values obtained in the simulations,respectively,and the other results lie within the shaded cyan area[53].

6 總結(jié)與展望

信息技術(shù)的高速發(fā)展需要開發(fā)高性能存儲(chǔ)器與之相適應(yīng),而尋找材料中新的物理狀態(tài)作為信息存儲(chǔ)媒介是開發(fā)新型存儲(chǔ)器件的物理基礎(chǔ).具有磁電耦合效應(yīng)的多鐵性材料為信息存儲(chǔ)提供了更多的自由度,其磁電耦合系數(shù)作為磁電耦合材料中的重要參量,體現(xiàn)了材料磁化和電極化的綜合性能,具備非易失存儲(chǔ)的物理狀態(tài)特征.本文介紹了一種基于磁電耦合效應(yīng)的基本電路元器件——憶耦器的提出以及以磁電耦合系數(shù)為存儲(chǔ)狀態(tài)的非易性存儲(chǔ)器件的工作原理.憶耦器的多態(tài)非易性存儲(chǔ)不僅可以使憶耦器實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算功能,而且可以模擬神經(jīng)突觸的可塑性.利用憶耦器的這些特點(diǎn),可以將存儲(chǔ)和計(jì)算在同一憶耦器中實(shí)現(xiàn),有望開發(fā)具有非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng).針對憶耦器在實(shí)際中的大規(guī)模應(yīng)用,未來需要進(jìn)一步提高磁電耦合系數(shù),并不斷優(yōu)化憶耦器的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).例如,制備高質(zhì)量的鐵電薄膜來組成憶耦器的三明治結(jié)構(gòu),以減小器件尺寸、降低操作電壓、減輕襯底的夾持效應(yīng)等.這些研究結(jié)果進(jìn)一步證明了憶耦器理論模型的正確性,為憶耦器在真實(shí)電路中的應(yīng)用提供了可能,同時(shí),也從基本電路元件的角度重新看待研究已久的磁電耦合效應(yīng),為磁電耦合效應(yīng)的應(yīng)用開辟了新的途徑.

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