郭科鑫 于海洋 韓弘 衛(wèi)歡歡 龔江東 劉璐 黃茜 高清運 徐文濤

(南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所, 天津市光電子薄膜器件與技術(shù)重點實驗室, 天津 300350)

近年來, 在神經(jīng)形態(tài)電子中, 能夠模擬突觸功能的人工突觸器件的研發(fā)引起了廣泛關(guān)注. 本文利用水熱法制備出高比表面積的基于MoO3 納米片的薄膜, 并將其用于人工突觸器件的制備, 成功模擬了如: 突觸后興奮電流(EPSC)、雙脈沖易化(PPF)、脈沖持續(xù)時間依賴可塑性(SDDP)、脈沖電壓依賴可塑性(SVDP)及脈沖速率依賴可塑性(SRDP)等神經(jīng)突觸的重要功能.

1 引 言

最近, 能夠并行信息處理的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)引起了越來越多的關(guān)注[1-5]. 由數(shù)千億個神經(jīng)元與更多神經(jīng)突觸連接而成的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)有望應(yīng)用到人腦的模擬. 突觸是神經(jīng)元之間重要的連接部分, 并且通過釋放和接收神經(jīng)遞質(zhì)來傳遞信息[6-8]. 神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)可以模擬大腦的學(xué)習(xí)、認知和計算能力,以每秒1016個浮點數(shù)的速度處理大量數(shù)據(jù)[9]. 其較高的計算效率吸引了許多研究者研究人工突觸, 并將其應(yīng)用在未來的人工智能中. 突觸之間的連接強度可以通過接收到的信息進行調(diào)整. 這為人工突觸的學(xué)習(xí)和計算能力提供了基礎(chǔ)[10-12].

迄今為止, 一些材料已經(jīng)被用作人造突觸裝置中的活性層. 有機材料, 如聚—3 已基噻吩(P3HT)[13],2, 7-二辛基1 苯并噻吩[3, 2-b] 1 苯并噻吩(C8-BTBT)[9]等. 無機氧化物, 如氧化鋅[14,15], 氧化銦鋅(IZO)[16], 氧化銦鎵鋅(IGZO)[17], 過渡金屬氧化物[18,19]等. 二維材料, 如石墨烯[20-22], 黑磷[23], 鈣鈦礦材料[24]等. 其中過渡金屬氧化物因其獨特的層狀結(jié)構(gòu)和固有性質(zhì)使得其在光電水解[25]、鋰離子電池[26,27]及場效應(yīng)晶體管[28]等方面有重要應(yīng)用. MoO3作為典型的過渡金屬氧化物, 已經(jīng)在化學(xué)反應(yīng)和電子器件中得到了廣泛地應(yīng)用, 例如: 由納米MoO3和Al 粉末制備的含能薄膜可以在短時間內(nèi)釋放大量的能量, 在國防和信息安全領(lǐng)域顯示了廣泛的前景; 同時作為半導(dǎo)體材料也被廣泛地應(yīng)用于制備人工突觸器件中. 在已報道的MoO3人工突觸器件中, Li 等[29]采用機械剝落法制備; Yang及其團隊采用化學(xué)氣相沉積(CVD)[30]及化學(xué)氣相傳輸(CVT)[31]的方式制備MoO3活性層, 構(gòu)建兩端及三端人工突觸器件; Wang 與其團隊[32]以脈沖激光沉積(PLD)的方式制備突觸器件中的MoO3薄膜. 本文制備活性層的方法與已報道的方法不同, 以水熱法制備MoO3納米片活性層并且通過TiO2納米顆粒晶種層來增加MoO3在襯底Si 上的附著性[33,34], 制備成本較低, 可以通過調(diào)控不同的變量從而來調(diào)控產(chǎn)物的尺寸及形貌, 并且高溫高壓的實驗環(huán)境有利于生長缺陷少、結(jié)晶度較好的晶體. 以此方法所制得的納米材料具有較大的比表面積, 因此可以提供更大的接觸面積, 有較強的界面離子作用. 并且成功模擬了突觸的重要功能, 如:突觸后興奮電流(EPSC)、雙脈沖易化(PPF)、脈沖持續(xù)時間依賴可塑性(SDDP)、脈沖電壓依賴可塑性(SVDP)及脈沖速率依賴可塑性(SRDP), 本工作可能是神經(jīng)形態(tài)研究領(lǐng)域的重要補充.

圖1 (a) 生物神經(jīng)元及神經(jīng)突觸示意圖; (b) 人工突觸器件結(jié)構(gòu)示意圖; (c) MoO3 結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1. (a) Schematic diagram of biological neurons and synapse; (b) schematic diagram of artificial synapse device; (c) schematic diagram of MoO3 structure.

2 器件制備

神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及機體單位, 由胞體、樹突、軸突和突觸構(gòu)成. 每個神經(jīng)元可以有一或多個樹突, 可以接受刺激并將興奮傳入細胞體. 每個神經(jīng)元只有一個軸突, 可以把興奮從胞體傳送到另一個神經(jīng)元或其他組織. 神經(jīng)突觸是神經(jīng)元之間傳遞信號的重要一環(huán), 前神經(jīng)元的神經(jīng)突觸釋放神經(jīng)遞質(zhì), 經(jīng)由突觸小泡穿過突觸間隙傳遞至后神經(jīng)元突觸的受體上, 完成一次信號的傳遞, 如圖1(a)所示.

為了模擬生物突觸的結(jié)構(gòu), 設(shè)計兩端“三明治”結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)人工突觸電子器件. 以Au 頂電極模擬突觸前膜, 高摻雜n 型Si 襯底模擬突觸后膜,MoO3活性層模擬突觸間隙, 以溶膠-凝膠法制備的TiO2納米顆粒晶種層來增加MoO3在襯底Si 上的附著性, 通過摻有鋰鹽的聚環(huán)氧乙烷(PEO-Li)固體電解質(zhì)來修飾活性層較為粗糙的表面, 同時增大了金屬電極與活性層的接觸面積, 器件結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示. MoO3晶體是以金屬鉬原子為中心,氧原子在角邊的八面體為基本結(jié)構(gòu)單元, 各個結(jié)構(gòu)單元之間以鏈相連, 相似的鏈邊連接成層, 層與層之間以范德瓦耳斯連接. MoO3這種特殊的八面體成鏈晶體結(jié)構(gòu)使得其具有廣延的離子流通和嵌入通道[35], 其結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示.

3 實驗方法

水熱法制備MoO3活性層具體實驗步驟如下:稱量0.114 g 乙酰丙酮鉬粉末和35 mL 乙酸并混合, 攪拌2 h 得到黃色透明溶液, 在攪拌條件下加入2 mL 去離子水, 得到淺黃色渾濁的前驅(qū)體溶液[36].將長有TiO2納米顆粒晶種層的基底以及前驅(qū)體溶液置于50 mL 反應(yīng)釜中, 于150 ℃反應(yīng)16 h. 分別用乙醇和去離子水沖洗反應(yīng)后得到的樣品, 之后將樣品在馬弗爐中500 ℃煅燒1 h, 得到長有MoO3納米片的活性層.

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 材料晶體結(jié)構(gòu)以及形貌分析

圖2(a)給出了XRD 測試結(jié)果與標準PDF 卡片對比之后, 得出MoO3納米材料的特征衍射峰:2θ= 12.7°, 23.3°, 25.6°, 27.3°, 33.7°, 49.2°, 51.0°,55.1°分別與晶面(020), (110), (040), (021), (111),(002), (022), (112), (042)相對應(yīng), XRD 衍射曲線中顯示有較強衍射峰—(040)和(002), 說明在水熱過程中MoO3納米材料的生長具有一定的取向性.

圖2(b)顯示了由SEM 測量到的MoO3納米薄膜的表面形貌. 測試結(jié)果顯示薄膜覆蓋較為均勻, 且有呈一定規(guī)律排列的趨勢. 同時測試結(jié)果顯示薄膜是由寬約300 nm、長約1 μm 的片狀物質(zhì)成.MoO3納米材料的N2吸附/脫附等溫線及相應(yīng)的Barrett-Joyner-halen(BJH)測試結(jié)果如圖2(c), 其結(jié)果表明該納米材料的比表面積為11.0380 m2/g,孔徑大小約為433.798 ?, 表明以水熱法制備的MoO3納米材料具有較高比表面積并且為無介孔結(jié)構(gòu)的片狀物質(zhì).

圖2 (a) MoO3 納米材料XRD 測試圖; (b) MoO3 納米材料掃描電鏡圖; (c) MoO3 納米材料的N2 等溫吸脫附曲線Fig. 2. (a) XRD of MoO3 nanomaterials; (b) scanning electron microscope image of MoO3 nanomaterials; (c) nitrogen Isothermal absorption and desorption curve of MoO3 nanomaterials.

4.2 器件突觸性能測試分析

突觸可塑性是指突觸連接強度可以被持續(xù)調(diào)節(jié)的性質(zhì), 會隨著自身活動的增強或減弱相應(yīng)的增強或減弱[37]. 突觸可塑性可分為兩種: 長程可塑性(LTP)和短程可塑性(STP). STP 往往可以實現(xiàn)短時程行為、短時程記憶的重要功能, 可以在大腦接收大量刺激信號時過濾掉不重要的信息, 是提取有價值的信息的關(guān)鍵[38]. EPSC 是突觸后膜收到刺激后短暫去極化所形成的現(xiàn)象, 是STP 的重要表現(xiàn)之一.

為了在制備的人工突觸電子器件上模擬這種突觸興奮性行為, 以頂電極和底電極作為突觸前膜和突觸后膜, MoO3活性層模擬突觸間隙. 在底電極上施加一個恒定的偏置電壓(0.01 V)作為讀取電壓, 將幅值為1 V 的電壓施加在頂電極上建立一個臨時的外加電場. 外加電壓導(dǎo)致了EPSC 的產(chǎn)生, 器件受到刺激時電流瞬時增加, 在刺激消失之后突觸后電流快速衰退恢復(fù)至初始狀態(tài)如圖3(a)所示. 這一現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是在器件受到刺激的瞬間, 固體電解質(zhì)中的Li+在外加電場的作用下有序遷移, 聚集在MoO3表面, 引起MoO3中電子的定向移動從而造成突觸后電流的瞬時增加. 消除刺激之后電荷擴散到其平衡位置, 因此電流衰減恢復(fù)至初始狀態(tài). 這一現(xiàn)象與生物性神經(jīng)突觸中的EPSC現(xiàn)象對應(yīng), 一旦適當(dāng)?shù)拇碳さ竭_軸突末端并激活Ca2+通道, 從突觸小泡釋放的神經(jīng)遞質(zhì)會迅速擴散穿過突觸間隙, 并與突觸后細胞膜上的這些受體結(jié)合, 最終產(chǎn)生興奮性突觸后電流[39].

PPF 也是突觸短時可塑性的一個重要表現(xiàn),在視覺和聽覺系統(tǒng)中接收和解讀瞬時消息中至關(guān)重要[40], PPF 體現(xiàn)的是在前突觸上施加兩次連續(xù)的刺激, 第二次刺激造成的突觸后興奮電流高于前一次刺激的現(xiàn)象, 在此器件上模擬的PPF 現(xiàn)象如圖3(b)所示. 相同幅值電壓下的兩次刺激, 第二次刺激造成的EPSC 與第一次的相比增加17.94%.在第一次刺激下, Li+的遷移導(dǎo)致MoO3活性層中電子的定向移動, 刺激消失后離子逐漸遷移回到其平衡位置. 但如果第二次刺激在其到達平衡位置之前到達, 會有更多數(shù)量的離子在臨時電場的作用下發(fā)生定向移動從而導(dǎo)致活性層中更多的電子發(fā)生定向移動, 所以第二次EPSC 高于第一次. 并且高出值的大小由兩次之間的時間間隔有關(guān), 越小的時間間隔會造成更大的EPSC[41]. 相同振幅的電壓刺激下, 不同時間間隔的PPF 如圖3(c)所示, 可以很明顯的看出, 隨著時間間隔的增加第二次EPSC增益逐漸減小, 在這里將增益PPF Index 定義為(A2—A1)/A1, 其中A1是第一次刺激后的EPSC峰值,A2是連續(xù)兩次刺激后的EPSC 峰值.

圖3 (a) 單個幅值為1 V 的刺激在MoO3 人工神經(jīng)突觸上引起的EPSC; (b)一對幅值為1 V 的刺激在MoO3 人工神經(jīng)突觸上引起的PPF; (c)和(d) 多對時間間隔不同, 幅值為1 V 的脈沖引起的PPF 及PPF IndexFig. 3. (a) EPSC triggered by a single 1 V spike at a MoO3 artificial synapse; (b) PPF triggered by a pair of 1 V spikes at a MoO3 artificial synapse; (c) and (d) PPF and PPF index triggered by spikes with different time intervals and same amplitudes of 1 V.

持續(xù)重復(fù)的刺激可以使得突觸之間的連接性和信息傳遞性增加, 聯(lián)系更加緊密[42]. 在神經(jīng)突觸學(xué)習(xí)規(guī)則當(dāng)中, SRDP 描述的是突觸前神經(jīng)元接收不同頻率刺激后釋放不同數(shù)量的神經(jīng)遞質(zhì), 從而導(dǎo)致突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生的信號電流不同的現(xiàn)象. 在此器件上施加0.01 V 的讀取電壓, 振幅為1 V 的刺激電壓, 以不同的時間間隔來調(diào)制施加刺激的頻率, 結(jié)果如圖4(a)所示. 從實驗結(jié)果可以看出, 隨著施加的刺激頻率的降低, 突觸后興奮電流增長的趨勢逐漸降低最后趨于平緩. 這一趨勢的產(chǎn)生是由于在較高頻率的刺激下, 最初產(chǎn)生EPSC 的離子在沒有回到其平衡位置時下一次刺激就已經(jīng)到達所以產(chǎn)生了與PPF 類似的趨勢. 而當(dāng)施加的刺激頻率較低時, 在下一次刺激達到之前, 造成突觸后電流的離子大部分已經(jīng)回到其平衡位置, 所以形成的趨勢較為平緩.

同時, 在生物突觸中增加刺激的持續(xù)時間和刺激強度也會增加突觸前膜釋放的神經(jīng)遞質(zhì)的數(shù)量,這兩種現(xiàn)象也是人工突觸可塑性中重要的表現(xiàn), 分別為SDDP 和SVDP. 在此器件上模擬的SDDP及SVDP 的結(jié)果分別如圖4(b)和圖4(c)所示. 從實驗結(jié)果可以看出傳遞信息的神經(jīng)遞質(zhì)的數(shù)量是有限的, 隨著持續(xù)時間的逐漸增加, 引起的EPSC的強度由逐漸增加到趨于平緩, 在實驗過程中隨著所施加的刺激持續(xù)時間的增加, 可移動的離子數(shù)目逐漸減少, 最后接近全部的離子都參與了信號的傳遞. 并且脈沖振幅的增大也會引起EPSC 的增加.

能量消耗也是衡量人工突觸性能的一個重要準則, 是人工突觸完成一次信號傳遞消耗的能量.不同金屬氧化物材料作為活性層的能量消耗對比如表1 所示. 在這里將其定義為E=Ipeak×V×td,其中Ipeak是EPSC 的峰值,V是施加的脈沖幅值,td是所施加脈沖的持續(xù)時間[43]. 本文制備的器件在施加振幅為0.2 V 的刺激時, 完成一次信號傳遞所消耗的能量為1.47 pJ, 如圖4(d)所示. 所制備的MoO3活性層具有較大的比表面積, 能與其上涂覆的PEO-Li 有更大的接觸面, 在接受刺激時能夠引起更多的載流子運動, 因此完成一次信號傳遞所消耗的能量較小, 而且能量的消耗隨著受到刺激振幅的增加而增加.

表1 不同金屬氧化物人工突觸器件能量消耗Table 1. Energy consumption of different metal oxide artificial synaptic devices.

圖4 (a) 施加幅值為1 V 刺激個數(shù)分別為1, 2, 3, 5, 8 在MoO3 突觸器件上引起的的SRDP; (b) 相同幅值不同刺激持續(xù)時間造成的SDDP; (c) 幅值分別為0.5, 1.0, 1.5, 2.0 V 的刺激在突觸器件上引起的SVDP; (d)為施加幅值為0.2 V 時所獲得的興奮性突觸后電流及完成一次信號傳遞所消耗的能量Fig. 4. (a) SRDP on MoO3 synapses triggered by the number of spikes of 1 V applied at 1, 2, 3, 5, and 8; (b) SDDP triggered by different spike duration time with the same amplitude; (c) SVDP triggered by spikes with amplitudes of 0.5, 1.0, 1.5 V, and 2.0 V on synaptic devices; (d) the excitatory postsynaptic current when the applied spike is 0.2 V and the energy consumed to complete a signal transmission.

5 結(jié) 論

本文用水熱法制備了具有較高比表面積的MoO3納米片, 并將其作為活性層制備Si/TiO2/MoO3/PEO-Li/Au 兩端人工突觸器件, 成功模擬了多種人工突觸可塑性, 如EPSC, PPF, SRDP,SDDP 及SVDP 等. 這一系列人工突觸可塑性的實現(xiàn)是由于受到刺激時, Li+的運動引起MoO3中載流子的移動造成的, 由于MoO3活性層與PEOLi 有較大的接觸面, 此器件完成一次信號傳遞所消耗的能量較低.