劉強 倪堯 劉璐 孫林 劉甲奇 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)

神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)的迅速發(fā)展為生物神經(jīng)系統(tǒng)仿生與模擬提供了有力支持.具有三明治結(jié)構(gòu)的兩端人造突觸電子器件不僅在結(jié)構(gòu)上模擬了生物突觸,同時在類神經(jīng)電脈沖信號的作用下可以完成對生物突觸塑性的模擬與調(diào)控.本文利用溶膠-凝膠法合成了具有層狀結(jié)構(gòu)的P3 相Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 多元金屬氧化物.借助其晶體結(jié)構(gòu)中Na+易于嵌入/脫出的特性,設(shè)計并制備了基于Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 的離子遷移型人造突觸,器件在電脈沖信號的刺激下實現(xiàn)了對生物突觸塑性的模擬,并通過調(diào)校類神經(jīng)尖峰脈沖信號,成功對塑性行為進行了調(diào)控.成功模擬了興奮性突觸后電流、雙脈沖易化、脈沖數(shù)量依賴可塑性、脈沖頻率依賴可塑性、脈沖電壓幅值依賴可塑性和脈沖持續(xù)時間依賴可塑性.同時,器件實現(xiàn)了對摩斯電碼指令的準確識別與響應(yīng).

1 引言

近年來為進一步優(yōu)化神經(jīng)形態(tài)計算工作模式,實現(xiàn)工作效率大幅提升,突觸電子學(xué)應(yīng)運而生[1?3],將電子器件的電學(xué)屬性與生物突觸的塑性行為緊密聯(lián)系,有望打破目前利用傳統(tǒng)計算機設(shè)備模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時所面臨的存儲與計算難以并行、資源配置嚴重失衡且發(fā)展緩慢的現(xiàn)狀[4,5].不同類別的人造突觸電子器件陸續(xù)被用以模擬生物突觸,旨在實現(xiàn)對突觸塑性行為進行模擬,并通過主動干預(yù)的手段對其進行調(diào)控,有望打破馮·諾伊曼瓶頸的桎梏,建立新一代的神經(jīng)形態(tài)計算模式.

兩端人造突觸電子器件具有與憶阻器等電子元件相似的物理結(jié)構(gòu),工作機制與生物突觸更為相近,憑借響應(yīng)時間短、超低功耗、易于集成、應(yīng)用場景豐富等特點受到了廣泛關(guān)注[6?9].常被設(shè)計為金屬電極-活性層-金屬電極的三明治結(jié)構(gòu),其中活性層的選取在一定程度上決定了器件整體的工作水平.在近年的研究中,利用鹵化物鈣鈦礦[10,11]、過渡金屬氧化物[12,13]、有機/無機半導(dǎo)體[14]、無機鹽[15]等多類光電半導(dǎo)體材料作為器件活性物質(zhì)所構(gòu)建的人造突觸,展現(xiàn)出了優(yōu)異的塑性可調(diào)控能力,為神經(jīng)形態(tài)電子器件的發(fā)展提供了新思路.而具有層狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物,由于其在外界激勵下易實現(xiàn)電化學(xué)摻雜/脫摻雜[16?18]的特性,更接近于生物突觸電信號-化學(xué)信號-電信號的神經(jīng)信號傳遞形式,是電化學(xué)型人造突觸電子器件中極具發(fā)展?jié)摿Φ幕钚怨δ懿牧?具有P3 相層狀結(jié)構(gòu)的多元金屬氧化物Na2/3Ni1/3Mn2/3O2作為一種優(yōu)良的離子傳輸材料,Na+在其晶格中可實現(xiàn)往復(fù)穿梭[19?21].在正電壓的作用下,位于外部電解質(zhì)中的Na+可在電壓作用下嵌入其晶格內(nèi)部,占據(jù)過渡金屬原子層間的Na 原子位點;反之,當撤去電壓刺激后,Na2/3Ni1/3Mn2/3O2中所嵌入的Na+脫出晶格后返回電解質(zhì)層[22?24].

本文通過溶膠-凝膠法合成了多元層狀金屬氧化物Na2/3Ni1/3Mn2/3O2,基于其Na+的電化學(xué)遷移特性設(shè)計并制備了兩端離子遷移型人造突觸.在類神經(jīng)電脈沖信號的激勵下,器件可對生物突觸可塑性進行模擬與調(diào)控,如興奮性突觸后電流(excitatory postsynaptic current,EPSC)、雙脈沖易化(paired-pulse facilitation,PPF)、脈沖數(shù)量依賴可塑性(spike-number dependent plasticity,SNDP)、脈沖頻率依賴可塑性(spike-frequency dependent plasticity,SFDP)、脈沖電壓依賴可塑性(spikevoltage dependent plasticity,SVDP)、脈沖持續(xù)時間依賴可塑性(spike-duration dependent plasticity,SDDP)等.此外,當對人造突觸施加摩斯電碼制式的電信號激勵時,器件可以準確識別摩斯電碼內(nèi)容并做出響應(yīng).

2 實驗方法

2.1 材料制備

活性材料Na2/3Ni1/3Mn2/3O2常通過溶膠-凝膠法、固相法、共沉淀法、水熱法等多種手段合成[25,26].考慮到溶膠-凝膠法過程安全、易于操作且合成樣品結(jié)晶質(zhì)量好等優(yōu)勢,本文采用此方法對目標材料Na2/3Ni1/3Mn2/3O2進行制備.首先將稱量好的摩爾比例為2∶1∶1 的乙酸鈉、乙酸鎳、乙酸錳置于樣品瓶中并溶于去離子水,室溫條件下經(jīng)磁力攪拌后得到淺綠色均一澄清的溶液.向其中加入一定質(zhì)量的螯合劑一水合檸檬酸,并在80 ℃時持續(xù)攪拌使溶液逐漸稠化變?yōu)槿苣z,之后持續(xù)加熱實現(xiàn)溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)變.將得到的凝膠置于鼓風(fēng)烘箱內(nèi)于80 ℃烘干8 h 后取出研磨并做壓片處理.為除去額外加入的一水合檸檬酸,壓制所得的藥片需在400 ℃的條件下退火處理3 h.此外,為保證反應(yīng)充分進行,在除去螯合劑后藥片仍需在900 ℃條件下二次退火處理12 h.經(jīng)研磨后,便可得到結(jié)晶良好的Na2/3Ni1/3Mn2/3O2粉末.

2.2 器件設(shè)計與機制

突觸作為神經(jīng)系統(tǒng)中最基本的結(jié)構(gòu)單元,承載著神經(jīng)信號傳遞的職能[27].如圖1(a)所示,生物突觸由相互聯(lián)結(jié)的前級神經(jīng)元的軸突、后級神經(jīng)元的樹突及二者間的間隙構(gòu)成.在動作電位的刺激下前級神經(jīng)元軸突尾部的離子通道打開,神經(jīng)元內(nèi)的離子開始自由擴散,導(dǎo)致突觸前膜發(fā)生囊泡的胞吐行為,向突觸間隙中釋放神經(jīng)遞質(zhì).最終,神經(jīng)遞質(zhì)與突觸后膜上具有識別性的受體相結(jié)合,將動作電位傳遞到后級神經(jīng)元,形成了突觸后電流[28?30].

圖1 (a) 生物神經(jīng)元及突觸結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 人工突觸電子器件結(jié)構(gòu)示意圖;(c) P3 相Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.(a) Schematic diagram of biological neuron and synapse structure;(b) schematic diagram of artificial synaptic electronic device structure;(c) schematic diagram of the structure of P3 phase Na2/3Ni1/3Mn2/3O2.

結(jié)合生物突觸的工作機制,設(shè)計了圖1(b)所示的具有三明治結(jié)構(gòu)的兩端人造突觸電子器件用來模擬生物突觸.器件的制備在底電極鋁箔上完成,各組分制備順序為:Na2/3Ni1/3Mn2/3O2涂層、PEONa 電解質(zhì)薄層、頂電極Au.首先,將質(zhì)量比例為7∶2∶1 的Na2/3Ni1/3Mn2/3O2粉末、乙炔黑、質(zhì)量分數(shù)為4%的聚偏氟乙烯粘結(jié)劑(溶于N-甲基吡咯烷酮)置于研缽中均勻混合后,采用規(guī)格為15 μm的涂布器在底電極鋁箔上進行涂布.在60 ℃的退火處理之后,溶劑充分揮發(fā),可以獲得Na2/3Ni1/3Mn2/3O2涂層,用以對前級神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)與功能進行模擬.之后將鋁箔裁剪為2 cm×2 cm 的方形并粘貼在與之大小相當?shù)牟Ａбr底上,以3000 r/min,30 s 的參數(shù)旋涂鈉離子固態(tài)電解質(zhì)溶液(聚乙烯吡咯烷酮(PEO)與NaClO4按照8∶1 的質(zhì)量比溶于乙腈構(gòu)成質(zhì)量分數(shù)為10%的PEO-Na 電解質(zhì)溶液),旋涂完成后按照90 ℃的條件進行退火處理,直至溶劑揮發(fā)完全后可得到PEO-Na 電解質(zhì)薄層,實現(xiàn)對活性層表面的修飾[31,32].最后,通過定制的掩模版按照點狀陣列的形狀,在PEO-Na 薄層上進行蒸鍍頂電極Au.根據(jù)所定制的掩模版尺寸,點狀電極的半徑為300 μm,蒸鍍過程中通過調(diào)整參數(shù)可將電極厚度控制在50 nm.表面蒸鍍了Au電極陣列的PEO-Na 層對后級神經(jīng)元進行了模擬.金屬氧化物活性層、PEO-Na 電解質(zhì)層及其間界面實現(xiàn)了對突觸間隙的模擬[33].圖1(c)進一步形象化地描述了具有P3 相Na2/3Ni1/3Mn2/3O2活性層的層狀晶體結(jié)構(gòu),每層過渡金屬原子之間都有Na 原子穿插其中.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 材料物相結(jié)構(gòu)及形貌測試

圖2(a)為Na2/3Ni1/3Mn2/3O2粉末的X 射線衍射測試圖譜,發(fā)現(xiàn)其存在10 個衍射特征峰,分別在2θ=16.1°,32.5°,37.0°,38.3°,42.3°,46.1°,53.9°,58.4°,65.9°,68.4°處.將各特征峰與標準卡片對比后可以發(fā)現(xiàn)其分別與 (003),(006),(101),(012),(014),(015),(107),(018),(110),(113)晶面相對應(yīng).由此可知,Na2/3Ni1/3Mn2/3O2晶格為六方晶系中具有P3 相的層狀結(jié)構(gòu)[34].在電脈沖信號激勵下,處于過渡金屬原子層之間的Na 原子易于在層間遷移并嵌入/脫出電解質(zhì)薄層,實現(xiàn)了層間的電化學(xué)摻雜/脫摻雜,與生物突觸中間隙內(nèi)信號轉(zhuǎn)變的過程類似.

圖2 (a) Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 粉末X 射線衍射測試圖;(b) Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 粉末掃描電子顯 微鏡測試圖;(c) Na2/3Ni1/3Mn2/3O2粉末X 射線能譜分析圖;(d) Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 活性層掃描電子顯微鏡表面形貌測試圖;(e) 底電極鋁箔、Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 活性層與PEO-Na 電解質(zhì)薄層掃描電子顯微鏡斷面形貌測試圖;(f) Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 活性層原子力顯微鏡測試圖Fig.2.(a) X-ray diffraction test diagram of Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 powder;(b) scanning electron microscope test diagram of Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 powder;(c) EDS test diagram of Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 powder;(d) surface topography test diagram of Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 active layer scanning electron microscope ;(e) bottom electrode Al foil,Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 active layer and PEONa electrolyte thin layer scanning electron microscope cross-sectional morphology test diagram;(f) atom force microscope test diagram of Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 active layer.

圖2(b)為Na2/3Ni1/3Mn2/3O2粉末在掃描電子顯微鏡下的微觀形貌,其X 射線能譜分析的結(jié)果如圖2(c)所示.不難看出,粉末粒度均勻,顆粒尺度約為100 nm.在能譜分析中,除去粉末載體所含的碳元素外,其余各元素所占權(quán)重之比與產(chǎn)物Na2/3Ni1/3Mn2/3O2的化學(xué)計量比相符,進一步證明反應(yīng)充分、合成產(chǎn)物可靠.圖2(d)為活性層掃描電子顯微鏡表面形貌測試圖,能清晰地看到涂層致密、均一.底電極鋁箔、Na2/3Ni1/3Mn2/3O2活性層與PEO-Na 電解質(zhì)薄層掃描電子顯微鏡斷面形貌測試圖,如圖2(e)所示,可以清晰地看到三層的層堆疊結(jié)構(gòu),經(jīng)測量得底電極鋁箔厚度約為4 μm,Na2/3Ni1/3Mn2/3O2涂層厚度約為7.5 μm,與規(guī)格為10 μm 的涂布器誤差范圍相吻合,PEO-Na 電解質(zhì)薄層厚度約為8.6 μm.圖2(f)為活性層在原子力顯微鏡下所觀測到的形貌,對邊長為5 μm 的方形區(qū)域進行采樣,得到區(qū)域內(nèi)的平均粗糙度為84 nm,相較于活性層的厚度可忽略,由此可知所制備的活性層較為均勻、平整.

3.2 人造突觸電子器件塑性測試

由于神經(jīng)元間相互聯(lián)結(jié)且聯(lián)結(jié)強度可調(diào)等特點,生物突觸產(chǎn)生了塑性行為,并稱神經(jīng)元間的聯(lián)結(jié)強度為突觸權(quán)重.在外界刺激下,突觸結(jié)構(gòu)在動作電位的驅(qū)動下進行塑性調(diào)節(jié).不同的刺激引發(fā)突觸權(quán)重的變化不同,根據(jù)權(quán)重變化的特點,將突觸的塑性行為分為短時程塑性(STP)和長時程塑性(LTP)兩類.其中,STP 是構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心基礎(chǔ)[35?37],其因塑性過程持續(xù)時間較短,可應(yīng)用于傳感、識別、計算等眾多領(lǐng)域.EPSC 作為神經(jīng)活動中最基礎(chǔ)的一種STP,是生物神經(jīng)系統(tǒng)進行復(fù)雜活動時所傳遞的基礎(chǔ)信號之一[38].

基于層狀多元金屬氧化物Na2/3Ni1/3Mn2/3O2的兩端人造突觸電子器件具有三明治結(jié)構(gòu),底電極鋁箔與頂電極Au 分別對突觸前膜與后膜進行模擬,金屬氧化物活性層與鈉離子固態(tài)電解質(zhì)薄層相耦合,構(gòu)成離子遷移系統(tǒng)對突觸間隙進行模擬.利用金屬探針將人造突觸與外部測試設(shè)備相連,并對器件進行阻變特性及塑性行為測試.圖3(a)為器件在單次0 V—5 V—0 V 電壓掃描下的阻變特性曲線,隨著對器件施加電壓的改變,器件的電阻發(fā)生改變,即電解質(zhì)層極化和活性層Na+電化學(xué)摻雜的程度隨施加電壓發(fā)生改變.同時可觀察到,當施加電壓約為2.5 V 時,電流響應(yīng)明顯增大,可解釋為PEO-Na 電解質(zhì)薄層與活性材料Na2/3Ni1/3Mn2/3O2在施加電壓為2.5 V 時所發(fā)生的極化和電化學(xué)摻雜現(xiàn)象格外強烈,引起器件阻態(tài)大幅改變.圖3(b)為器件在連續(xù)50 次電壓循環(huán)掃描下的阻變特性穩(wěn)定能力測試圖,在50 次連續(xù)的電壓循環(huán)掃描下,器件的響應(yīng)電流并未發(fā)生明顯變化,體現(xiàn)了較好的電學(xué)穩(wěn)定性.

圖3 (a) 單次阻變特性測試;(b) 連續(xù)50 次阻變特性穩(wěn)定能力測試;(c) 對器件施加單個幅值為0.2 V 的電脈沖信號所產(chǎn)生的EPSC;(d) 對器件連續(xù)施加兩個幅值為0.2 V 的電脈沖信號所產(chǎn)生的PPF;對器件施加多對時間間隔不同幅值為0.2 V 的電脈沖信號所產(chǎn)生的(e) PPF 以及(f) PPF 指數(shù)Fig.3.(a) Single resistance characteristic test;(b) 50 consecutive tests of resistance characteristic stability;(c) EPSC generated by applying a single electrical pulse signal with an amplitude of 0.2 V to the device;(d) PPF generated by continuously applying two electrical pulse signals with an amplitude of 0.2 V to the device;(e) PPF and (f) PPF index generated by applying multiple pairs of electrical pulse signals with different amplitudes of 0.2 V to the device.

當對鋁箔底電極施加一恒定的讀取電壓Vr(0.1 V),對Au 頂電極陣列施加瞬時突觸前電壓脈沖VPre時,器件表現(xiàn)出了較好的STP.當對頂電極施加VPre時,頂電極端的VPre大于底電極端的Vr,存在由Au 指向鋁箔的電勢差,電解質(zhì)中的Na+在電勢作用下發(fā)生極化,向活性層定向遷移,最終嵌入到Na2/3Ni1/3Mn2/3O2的晶格中,實現(xiàn)了電化學(xué)摻雜.根據(jù)其阻變特性曲線同樣可以觀測出脫離PEO-Na 的Na+與活性層之間發(fā)生了電化學(xué)摻雜,而并非只運動到兩層材料的界面處.當撤去電壓激勵時,極化現(xiàn)象無法維系,電解質(zhì)層發(fā)生去極化,摻雜入活性層的部分Na+會發(fā)生脫摻雜,返回到PEO-Na.在電化學(xué)摻雜/脫摻雜過程中均存在Na+的定向運動,因此導(dǎo)致電流的增加,但在撤去激勵后,電流會逐漸衰減至初始水平[39].Na+由平衡態(tài)產(chǎn)生極化至非平衡態(tài),再經(jīng)去極化恢復(fù)至平衡態(tài)的運動過程所產(chǎn)生的離子電流即為EPSC,圖3(c)為VPre=0.2 V 時的EPSC,突觸后電流在VPre刺激下瞬時增大到5 nA,撤去后逐漸衰減至pA 水平.

PPF 作為一類典型的STP 行為,是完成學(xué)習(xí)和信息處理等簡單神經(jīng)元任務(wù)的關(guān)鍵[40],表現(xiàn)為當兩個連續(xù)的神經(jīng)信號作用到前級神經(jīng)元時,后級神經(jīng)元對第二個信號響應(yīng)的突觸后電流被放大,其峰值總是會大于第一個神經(jīng)信號.如圖3(d)所示,當對頂電極施加幅值為0.2 V 的兩個連續(xù)VPre時,會產(chǎn)生兩個突觸后電流響應(yīng),所產(chǎn)生的第二個突觸后電流的峰值A(chǔ)2遠大于前一個峰值A(chǔ)1,稱A2與A1的比值為PPF 指數(shù),此時PPF 指數(shù)為123%.當撤去第一個電脈沖時,離子交換系統(tǒng)發(fā)生去極化,Na+恢復(fù)至平衡態(tài)的過程被施加的第二個電脈沖信號破壞,導(dǎo)致系統(tǒng)再次極化,累積的離子濃度變大,致使去極化時突觸后電流增大.同時,改變所施加兩個電脈沖信號的時間間隔會影響易化率大小,圖3(e)為VPre=0.2 V 時,時間間隔分別為50,100,150,200 ms 時的PPF 塑性行為.可以看出隨著時間間隔變大,突觸后電流峰值A(chǔ)2逐漸變小,如圖3(f)所示,這表明PPF 指數(shù)與時間間隔呈負相關(guān).

在生物神經(jīng)系統(tǒng)中,由于神經(jīng)信號數(shù)量龐大且模式不同,難以簡單歸類處理,因此在塑性能力測試過程中,通過調(diào)整VPre的數(shù)量、幅值、脈寬、頻率等參數(shù)來進一步實現(xiàn)對SNDP,SVDP,SDDP,SFDP 等更為復(fù)雜的生物突觸塑性行為的模擬十分必要[41,42].如圖4(a)所示,當連續(xù)施加10 個幅值為0.2 V 的VPre時,會產(chǎn)生10 個峰值連續(xù)增大的突觸后電流響應(yīng),實現(xiàn)了對SNDP 的模擬,最后1 個電流峰值A(chǔ)10遠大于第1 個峰值A(chǔ)1,稱A10與A1的比值為n=10 時的SNDP 指數(shù).從圖4(b)可知,所產(chǎn)生的突觸后電流的峰值隨電信號刺激數(shù)量增加而增加.隨著脈沖數(shù)量的增加,SNDP指數(shù)隨之增大,但突觸后電流的增益速度即曲線斜率逐漸變小.

與之相似的是,當增加VPre的幅值、脈寬、頻率時,得到的突觸后電流的峰值同樣會隨之變大,與生物突觸的SVDP,SDDP,SFDP 等塑性行為一致.圖4(c)為器件對SVDP 的模擬,當VPre的幅值以0.1 V 為步長,按0 V—4 V—0 V 的形式循環(huán)10 次時,突觸后電流峰值會按照電脈沖幅值的變化同步發(fā)生改變,由于器件在去極化與脫摻雜過程中,所展現(xiàn)出較好的STP,在10 次脈沖信號循環(huán)的過程中突觸后電流的峰值變化呈現(xiàn)出較好的重復(fù)性,體現(xiàn)了器件較好的循環(huán)保持能力.在對SDDP 進行模擬過程中,設(shè)置VPre的幅值為0.2 V,脈寬從50 ms 均勻增加到500 ms時,突觸后電流的峰值逐漸增大,如圖4(d),(e)所示.規(guī)定脈寬為50 ms的電信號刺激所產(chǎn)生的電流響應(yīng)峰值為A1,隨著脈寬逐漸均勻增加,電流響應(yīng)的峰值分別命名為A2—A10,各峰值與A1的比值定義為SDDP 指數(shù),SDDP 指數(shù)也隨脈寬的增大而增大,而電流的增益速度即曲線斜率逐漸變小.SFDP 體現(xiàn)了突觸對神經(jīng)信號的選頻特性,如圖4(f)所示,將連續(xù)10 個幅值為0.2 V 的VPre的頻率分別設(shè)置為1.25,2.50,5.00,10.00 Hz,突觸后電流峰值隨脈沖頻率增大而增大,體現(xiàn)出突觸器件對不同頻率的分辨能力.以上通過調(diào)整VPre的幅值、脈寬、頻率等參數(shù)而實現(xiàn)的塑性調(diào)控行為,是由于Na+由非平衡態(tài)恢復(fù)至平衡態(tài)的過程中被新的VPre打斷,再一次發(fā)生極化,實現(xiàn)離子存儲,因而增大了突觸后電流的響應(yīng)峰值.但因脈沖刺激強度有限且離子交換系統(tǒng)中可激發(fā)的Na+數(shù)量固定,導(dǎo)致突觸后電流增長速度逐漸減小[43].

圖4 對器件連續(xù)施加10 個幅值為0.2 V 的電脈沖信號所產(chǎn)生的 (a) SNDP 以及(b) SNDP 指數(shù);(c) 對器件施加幅值從0 V—4 V—0 V 變化的10 組電脈沖信號循環(huán)所產(chǎn)生的SVDP;對器件施加多個脈沖寬度不同幅值為0.2 V 的電脈沖信號所產(chǎn)生的(d) SDDP 以及(e) SDDP 指數(shù);(f) 對器件連續(xù)施加多組頻率不同幅值為0.2 V 的電脈沖信號所產(chǎn)生的SFDPFig.4.(a) SNDP and (b) SNDP index generated by continuously applying 10 electrical pulse signals with an amplitude of 0.2 V to the device;(c) 10 groups of amplitudes varying from 0 V to 4 V to 0 V are applied to the device SVDP generated by electrical pulse signal cycle;(d) SDDP and (e) SDDP index generated by applying multiple electrical pulse signals with different pulse widths and amplitudes of 0.2 V to the device;(f) SFDP generated by continuously applying multiple groups of electrical pulse signals with the different frequencies and amplitudes of 0.2 V to the device.

如圖5 所示,基于層狀多元金屬氧化物Na2/3Ni1/3Mn2/3O2的兩端人造突觸電子器件,成功實現(xiàn)了對摩斯電碼的識別與響應(yīng)[44,45].對摩斯電碼的基礎(chǔ)字符“·”和“—”進行定義,將“·”編碼為由單個脈寬為50 ms,幅值為0.2 V 的電壓脈沖觸發(fā)的信號;“—”為由連續(xù)3 個脈寬為50 ms,幅值為0.2 V 的電壓脈沖觸發(fā)的信號.按照國際摩斯電碼表,以活性層材料名稱“Na2/3Ni1/3Mn2/3O2”作為傳遞目標信息,按照摩斯電碼制式將攜帶其名稱信息的脈沖序列傳遞至突觸器件,規(guī)定水平處于5—6 nA 區(qū)間的電流為“·”所觸發(fā),水平處于8.5—9.5 nA 區(qū)間的電流為“—”所觸發(fā).通過劃分突觸后電流峰值的水平所在區(qū)間的方法,可判斷出脈沖信號所傳輸信息的內(nèi)容,準確讀取傳遞信息中不同的英文字母、數(shù)字和符號.這種以人造突觸為媒介,利用生物神經(jīng)系統(tǒng)的工作模式解決問題的方式為神經(jīng)形態(tài)電子器實現(xiàn)類腦計算提供了新的應(yīng)用場景[46],一定程度上解決了傳統(tǒng)馮·諾依曼計算機難以實現(xiàn)存算一體且資源消耗巨大等問題.

圖5 對器件施加內(nèi)容為Na2/3 (a),Ni1/3 (b),Mn2/3 (c),O2 (d)的摩斯電碼制式的電脈沖信號所產(chǎn)生的突觸后電流響應(yīng)Fig.5.Post-synaptic current response generated by applying Morse code electrical pulse signals with content of (a) Na2/3,(b) Ni1/3,(c) Mn2/3,(d) O2 to the device.

4 結(jié)論

本文通過溶膠-凝膠法合成了結(jié)晶良好的層狀多元金屬氧化物Na2/3Ni1/3Mn2/3O2粉末,與鈉離子固態(tài)電解質(zhì)(PEO-Na)薄層構(gòu)成了離子遷移系統(tǒng),并將其制備為具有三明治結(jié)構(gòu)的兩端人造突觸電子器件.在類神經(jīng)電脈沖信號的刺激下,Na+在離子遷移系統(tǒng)中實現(xiàn)了電化學(xué)摻雜/脫摻雜,器件實現(xiàn)了對生物突觸中EPSC,PPF,SNDP,SFDP,SVDP,SDDP 等塑性行為的模擬與調(diào)控,同時對摩斯電碼發(fā)出指令內(nèi)容可以準確地識別與響應(yīng).