Pengalihan Analog dan Perilaku Sinaptik Buatan Perangkat Memristor Ag/SiOx:Ag/TiOx/p++-Si

Hasil dan Diskusi

Skema perangkat dan konfigurasi pengukuran dijelaskan pada Gambar. 1a. Perangkat ini memiliki struktur sederhana yang terdiri dari SiO_x :Ag dan TiO_x lapisan tipis terjepit di antara Ag TE dan p ⁺⁺ -Si BE yang dikonfirmasi oleh TEM penampang sel memristor dan pemetaan unsur yang ditunjukkan pada Gambar. 1b dan c. Keadaan kimia atom Ag pada permukaan SiO_x dianalisis oleh XPS, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S1. Spektrum Ag3d untuk Ag didekonvolusi menjadi doublet tunggal dengan energi ikat 368.0 eV untuk Ag3d_5/2 dan 374.0 eV untuk Ag3d_3/2 , yang secara tepat ditetapkan ke keadaan logam Ag. Gambar HRTEM dalam file tambahan 1:Gambar S2 menunjukkan penampang TiO amorf_x lapisan, sedangkan nanocluster Ag kecil terlihat di SiO_x :Lapisan Ag, yang kemungkinan disebabkan oleh difusi keluar Ag selama proses preparasi sampel TEM untuk meminimalkan total energi antarmuka sistem material [22]. Selanjutnya, Fourier Transform (FFT) cepat menegaskan bahwa nanocluster Ag tertanam dalam SiO_x adalah polikristalin dalam struktur, seperti Ag (111) dan Ag (002) nanocrystals. Dalam Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Perangkat memristor Si, Ag/SiO_x :Ag dan TiO_x /p ⁺⁺ -Si sebagai membran pra-sinaptik dan membran pasca-sinaptik, masing-masing, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1a. Perubahan bobot sinaptik melalui pelepasan Ca ²⁺ atau Na ²⁺ ion dalam celah antara membran pra dan pasca-sinaptik yang disebut "celah" oleh membran pra-sinaptik ketika pulsa saraf diterima. Demikian pula, konduktansi Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Perangkat memristor Si dapat dimodulasi secara artifisial sebagai sinapsis elektronik melalui migrasi ion Ag di bawah impuls tegangan.

Gambar 2a menunjukkan kurva arus-tegangan (I-V) dari Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si perangkat memristor dalam skala semilogaritmik. Di bawah bias menyapu 0 V → +4.0 V → 4.0 V → 0 V, kurva I-V yang diukur menunjukkan loop histeresis terjepit, yang merupakan sidik jari dari memristor. Ketika bias positif diterapkan pada Ag TE, peningkatan arus secara bertahap hingga batas arus kepatuhan (I_cc ) terjadi, dan status resistansi perangkat diubah dari status resistansi tinggi (HRS) ke status resistansi rendah (LRS), yang disebut sebagai proses "SET". Sedangkan, ketika bias negatif diterapkan pada Ag TE, terjadi penurunan arus, dan status resistansi dikembalikan ke HRS dari LRS, yang disebut proses “RESET”. Ini menunjukkan bahwa konduktivitas perangkat dapat dimodulasi sesuai dengan bias sapuan positif atau negatif, menunjukkan perilaku switching resistif bipolar. Alih-alih kenaikan atau penurunan arus yang tiba-tiba selama proses SET dan RESET pada rezim tegangan tinggi, yang sangat menarik, arus perangkat secara berurutan meningkat atau menurun di bawah sapuan tegangan berulang 0 V → +2.1 V atau 0 V → 2.1 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Hubungan arus dan tegangan versus waktu (I-V-t) juga diplot pada inset Gambar 2b untuk menunjukkan perubahan konduktansi dengan lebih jelas. Seperti dalam bio-sinaps, respons perangkat yang jelas dari evolusi turun-naik atau naik-turun arus diamati setelah penerapan bagian positif (ke-1-5) dan negatif (ke-6-10) berturut-turut, masing-masing. Peningkatan (atau penurunan) arus yang terus menerus selama penyapuan tegangan positif (atau negatif) menunjukkan bahwa resistansi perangkat dapat dimodulasi oleh mode penyapuan DC. Juga diamati bahwa selama setiap sapuan positif atau negatif berikutnya, kurva I–V memilih di mana yang terakhir ditinggalkan, menunjukkan fitur peralihan analog yang khas untuk perangkat memristor. Kinerja daya tahan perangkat memristor dapat dievaluasi dengan menerapkan tegangan sapuan bipolar yang lebih luas pada tegangan pembacaan +0,3 V, seperti pada Gambar 2c, yang menunjukkan bahwa perangkat dapat dioperasikan secara stabil dan seragam antara LRS dan HRS selama set/reset operasi lebih dari 10 ³ siklus.

Karakteristik I–V dari Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si perangkat memristor. a Perilaku beralih bipolar b Potensiasi atau depresi dengan mengulangi sapuan tegangan. Inset menunjukkan hubungan tegangan dan arus versus waktu (V-I-t), menunjukkan keadaan konduktansi selama potensiasi atau depresi. c Uji performa bersepeda ketahanan pada tegangan pembacaan -0,3 V selama 10 ³ siklus sapuan bipolar yang lebih luas dari 0 hingga +4.0 V untuk set dan 0 hingga -4.0 V untuk reset. d Sifat berulang dari modulasi konduktansi

Perangkat memristor juga dapat dioperasikan di bawah sinyal pulsa daripada tegangan sapuan bias DC. Gambar 2d menunjukkan respons perangkat dalam bentuk potensiasi atau depresi setelah penerapan pulsa potensiasi (bias positif) dan depresiasi (bias negatif) berulang. Amplitudo pulsa potensiasi dan depresiasi masing-masing adalah +1.2 V dan 1.2 V, dan semua lebar dan interval pulsa ditetapkan pada 5 ms. Di sini, modulasi konduktansi dalam perangkat diamati terlepas dari bias pulsa positif atau negatif, yang mirip dengan respons sinaptik dalam bentuk potensiasi atau depresi di bawah stimulus potensial dan depresi. Jelas ditemukan bahwa respons perangkat dapat disesuaikan dari siklus ke siklus tergantung pada jumlah pulsa stimulasi, yang menunjukkan bahwa potensiasi dan depresi yang stabil dan seragam di luar polaritas bias yang diterapkan dapat digunakan untuk meniru penyesuaian berat dan memori. peningkatan dalam sinapsis elektronik [30].

Untuk memahami perilaku switching, mekanisme konduksi dianalisis dengan menyesuaikan karakteristik IV. Untuk tujuan ini, SiO mandiri_x :Memristor berbasis film tipis Ag dengan struktur Ag/SiO_x :Ag/p ⁺⁺ -Si juga dibuat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, respons perangkat terhadap sapuan tegangan kuasi-DC menunjukkan perilaku switching ambang yang khas, seperti yang dilaporkan sebelumnya [29, 31]. Arah panah menunjukkan bahwa perangkat dapat didaur ulang di antara dua status sebagai memori yang mudah menguap. Namun, kurva IV Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Perangkat memristor Si menunjukkan bahwa situasinya sangat berbeda dari SiO yang berdiri sendiri_x :Perangkat memristor berbasis Ag. Gambar 3b menunjukkan bahwa perangkat menunjukkan perilaku switching bipolar dalam aspek LRS dan HRS di bawah bagian positif dan negatif dari kurva IV, sedangkan tegangan operasi relatif lebih tinggi. Gambar 3c menunjukkan kurva IV Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Perangkat memristor Si, yang dipasang sebagai Ln(I) versus Ln(V) dari data wilayah positif untuk HRS dan LRS. Hasil pemasangan ini menunjukkan bahwa perilaku pengangkutan muatan pada HRS konsisten dengan mekanisme konduksi terbatas muatan ruang yang dikendalikan perangkap klasik (SCLC), yang terdiri dari tiga bagian sebagai wilayah Ohmik (I/V), wilayah hukum Child (I/ V ² ), dan daerah kenaikan arus yang curam [32]. Sedangkan perilaku linier pada LRS, dengan kemiringan =1, menunjukkan perilaku Ohmik yang sangat baik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c. Perilaku konduksi yang berbeda di HRS dan LHR dibuktikan dengan pembentukan konduktif Ag-filamen di LRS [32]. Gambar 3d lebih lanjut mendukung bahwa switching resistif disebabkan oleh pembentukan/pecahnya filamen. Dapat dilihat bahwa sementara LRS perangkat tidak tergantung pada ukuran sel perangkat, HRS perangkat sebanding dengan ukuran sel. Properti ukuran-independen di LRS umumnya telah diamati dalam melakukan perangkat memori berbasis filamen [33]. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa fenomena pensaklaran resistif pada Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Perangkat memristor Si biasanya berasal dari pembentukan/pecahnya filamen konduktif yang terkendali di bawah tegangan bias positif/negatif. Perubahan bertahap dalam konduktansi mungkin hasil dari variasi celah penampang antara TE dan BE di bawah medan listrik yang mirip dengan laporan lain [34]. Jadi, resistansi total perangkat dapat digambarkan sebagai R =Rij =V/I sesuai dengan rangkaian ekivalen, di mana Rij didefinisikan sebagai resistansi yang terkait dengan ukuran celah lateral CF antara TE dan BE. Oleh karena itu, jika celah ini dapat diatur melalui modulasi ukuran Ag CF antara TE dan BE menggunakan bias terprogram yang sesuai, maka konduksi atau resistansi perangkat memristif dapat disetel secara bertahap.

Analisis mekanisme konduksi Ag/SiO_x :Ag/p ⁺⁺ -Si dan Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si perangkat. a Kurva linier I–V Ag/SiO_x :Ag/p ⁺⁺ -Si dan b Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si perangkat. c Mekanisme konduksi sesuai dengan SCLC di HRS dan Ohmic di LRS untuk Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si perangkat sesuai dengan hasil pemasangan wilayah positif kurva I–V di (b ). d Ketergantungan area sel dari konduktansi di LRS atau HRS

Model fisik yang sesuai juga disajikan pada Gambar. 4 untuk menafsirkan mekanisme switching dalam SiO mandiri_x :Ag dan SiO_x :Ag/TiO_x -perangkat memristor berbasis. Perilaku nanopartikel Ag dalam SiO_x sel berbasis dapat ditafsirkan berdasarkan reaksi elektrokimia (migrasi dan akumulasi ion Ag dan atom Ag) antara elektroda bipolar serupa seperti yang dilaporkan sebelumnya [22, 35]. Ketika tegangan sapuan diterapkan, nanopartikel Ag tumbuh lebih jauh untuk menjembatani celah antara elektroda, menghasilkan peningkatan arus yang tiba-tiba hingga tingkat kepatuhan, dan memristor dihidupkan di LRS (seperti yang ditunjukkan pada panel tengah Gambar. 4a). Setelah menghilangkan bias listrik, nanocluster Ag memanjang yang membentuk jembatan awal dikontrak sekarang dengan cepat [22], dan perangkat kembali ke HRS (seperti yang ditunjukkan pada panel terakhir dari Gambar 3a) [35], menunjukkan switching ambang bipolar perilaku dalam memristor yang dapat didaur ulang di antara dua status seperti pada perangkat memori yang mudah menguap.

Diagram skema model fisik untuk perilaku switching. a Ag/SiO_x :Ag/p ⁺⁺ -Si perangkat memristor; b Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Perangkat memristor si

Situasinya sangat berbeda dalam kasus SiO_x :Ag/TiO_x - perangkat memristor berbasis, di mana SiO_x lapisan tipis memiliki celah pita yang tinggi (~9 eV) dan konstanta dielektrik yang lebih rendah (~3), tetapi TiO_x lapisan memiliki celah pita rendah (~3 eV) dan konstanta dielektrik tinggi (~40), yang membuat medan listrik melintasi SiO_x lapisan yang lebih tinggi dari TiO_x lapisan, melarutkan lebih banyak atom Ag di lapisan switching [28]. Mobilitas ion yang rendah dan laju reaksi redoks yang rendah dari titanium oksida yang mengontrol migrasi dan akumulasi atom Ag dan ion Ag melintasi lapisan antarmuka [36]. Kedua fakta ini, seperti yang disebutkan di atas, dapat menyebabkan pembentukan filamen berbentuk kerucut nano dari TE menjadi BE [37]. Daerah logam terkonsentrasi dalam bentuk kurungan efektif pertumbuhan filamen dalam bentuk nano-kerucut dari TE ke BE dapat menawarkan kontrol keadaan resistensi selama operasi siklik [38]. Ketika elektroda Ag atas dibias cukup positif melintasi lapisan ganda, medan listrik melintasi lapisan dielektrik cukup untuk mendorong ion Ag dari Ag TE ke p ⁺⁺ -Si BE melalui lapisan antarmuka, yang menyebabkan berkurangnya celah efektif antara elektroda (seperti yang ditunjukkan pada panel tengah Gambar 4b). Filamen Ag tidak larut kecuali tegangan negatif diterapkan dan cenderung mempertahankan bentuk aslinya bahkan tegangan bias dihilangkan. Ketika tegangan negatif diterapkan, RESET normal dimulai, dan Ag CFs sebagian terlepas (biasanya di lokasi tertipis) karena proses elektrokimia yang dibantu termal [39]. Perangkat memristor beralih OFF dan kembali ke HRS (panel terakhir dari Gambar 4b), dan kemudian berputar secara reversibel antara dua keadaan (ditunjukkan pada Gambar 3b) sebagai perangkat memori non-volatil. Panel kiri Gambar 4b menunjukkan bahwa filamen yang terbentuk di sini harus lebih tebal daripada panel tengah Gambar 4a, yang tidak dapat larut dan pecah kecuali jika tegangan negatif diterapkan. Bagian filamen dalam SiO_x lapisannya masih jauh lebih tipis daripada bagian kerucut nano di TiO_x lapisan, dan bentuk seluruh filamen entah bagaimana seperti nano-kerucut. Jadi, ketika bias negatif diterapkan, filamen akan putus dengan cepat ketika tegangan negatif diterapkan (Gbr. 3b), sedangkan tegangan akan lebih meningkat dan arus meningkat lagi, menunjukkan risiko SET negatif pada bias tinggi. rentang karena atom Ag sisa yang ada di dekat permukaan BE.

Faktanya, resistansi memristor total pada HRS hanya terkait dengan celah antara ujung nano-cone filamen dan elektroda bawah, yang dapat ditingkatkan atau dikurangi dengan menyesuaikan bias listrik [33]. Kecenderungan untuk mengubah HRS dalam memristor ini dapat dilihat pada Gambar 2b, di mana arus dapat dinaikkan atau diturunkan secara berurutan di bawah bias sapuan berulang dari 0 V ke +2.1 V dan dari 0 V ke -2,1 V, masing-masing. Di sisi lain, penyapuan konstan tegangan di bawah +2,1 V tidak cukup untuk membentuk filamen konduktif melintasi TE dan BE. Sebaliknya, filamen Ag konduktor dapat secara bertahap mengakumulasi atom Ag, yang menyebabkan penurunan celah efektif antara elektroda, seperti yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S3. Oleh karena itu, dengan menggunakan bias pemrograman yang sesuai, transisi peralihan ambang tipikal ke peralihan bertahap dapat direalisasikan, dan resistansi total sel memori dapat disetel melalui penyesuaian celah efektif antara elektroda seperti yang dapat diamati dalam sinapsis biologis.

Mirip dengan bio-sinaps, rangsangan input dengan pemrograman pulsa yang sesuai dapat mengubah status konduktansi perangkat memristor untuk melakukan beberapa tugas saraf. PPF adalah jenis fitur penting lainnya, yang dapat menyesuaikan konduktansi dengan penjumlahan temporal dari rangsangan input dan melakukan beberapa tugas saraf jangka pendek, termasuk penyaringan dan adaptasi sinaptik [40, 41]. Fungsi PPF dalam bio-sinaps bekerja sebagai berikut:respons pasca-sinaptik kedua menjadi lebih tinggi daripada yang pertama selama dua rangsangan lonjakan berturut-turut, meninggalkan interval waktu lonjakan kurang dari waktu pemulihan [22]. Gambar 5a menunjukkan respons perangkat, yang dipantau setelah menerapkan sepasang pulsa fasilitasi pada amplitudo +2.0 V dengan lebar dan interval tetap yang disebut sebagai skala 0,08 s. Peningkatan arus yang nyata sebagai respons dari pulsa kedua daripada yang pertama diamati, menunjukkan perubahan nyata dari keadaan konduktansi setelah implementasi pemrograman pulsa yang sesuai. Selama interval antara dua pulsa berikutnya, pembusukan arus diamati, yang dapat dikaitkan dengan keberadaan karakter yang mudah menguap di perangkat. Peluruhan konduktansi mungkin sesuai dengan difusi atom Ag setelah penghapusan pulsa potensiasi [42]. Fungsi PPF yang berhasil hanya dapat dijalankan ketika interval waktu antara dua pulsa berturut-turut kurang dari waktu relaksasi difusi atom Ag, menyebabkan lebih banyak atom Ag terdorong ke dalam SiO_x :Ag/TiO_x lapisan. Selain itu, keadaan saturasi dicapai ketika perangkat distimulasi secara terus menerus dengan sejumlah pulsa fasilitasi dengan amplitudo +2.0 V dan lebar dan interval tetap yang disebut sebagai skala 0,08 s, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Hasilnya menunjukkan bahwa ketika pulsa frekuensi tinggi diterapkan, yang memompa lebih banyak atom Ag di SiO_x lapisan sampai jembatan penghantar terbentuk melintasi TE dan BE, mencapai tingkat kejenuhan [22]. Fenomena ini sangat mirip dengan aturan pembelajaran Hebbian, di mana perubahan bobot sinaptik harus memiliki nilai jenuh untuk menghindari eksitabilitas neuron yang berlebihan dengan diterapkannya spike train pulsa yang tidak diwarnai [43].

Hasil eksperimen fasilitasi pulsa berpasangan (PPF). a Implementasi PPF pada Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si perangkat menggunakan +2.0 V tinggi pulsa dengan 0,08 s. b Demonstrasi gerak saturasi bobot sinaptik menggunakan rangkaian pulsa amplitudo +2.0 V dengan lebar dan interval yang sama 0,08 s

Lebih lanjut, sama seperti dalam sinapsis biologis, memristor akan mengalami kehilangan memori dengan penurunan arus yang tiba-tiba setelah penerapan potensiasi spike, yang dapat dianggap sebagai keberadaan STP di memristor [44, 45]. Dalam neurobiologi, STP dan LTP umumnya dianggap sebagai memori jangka pendek (STM) dan memori jangka panjang (LTM) [46]. Telah ditetapkan bahwa transisi STP ke LTP dapat terjadi melalui rangsangan berulang (yaitu, proses latihan) [46, 47]. Untuk memverifikasi dan membandingkan perilaku ini dengan yang diamati dalam sinapsis biologis, urutan pulsa tegangan telah diterapkan ke Ag/SiO_{x kami} :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si perangkat memristor. Gambar 6a menunjukkan peningkatan arus dari keadaan awal 0,05 mA menjadi 1,8 mA setelah implementasi 15 pulsa berturut-turut (amplitudo +1,4 V, lebar dan interval 5 ms). Peluruhan arus yang dinormalisasi ((I_t -Aku_o )/Saya_o × 100%) diukur pada tegangan pembacaan +0,3 V segera setelah memaksakan pulsa potensial dengan waktu (t ), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b. Hubungan antara peluruhan arus yang dinormalisasi dan waktu yang sesuai dengan hubungan yang diberikan dalam Persamaan. (1) [48]:

Peluruhan saat ini dan retensi memori di Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor. a Peningkatan arus setelah implementasi 15 pulsa identik yang mempotensiasi berturut-turut. b Peluruhan arus dipantau pada tegangan pembacaan +0,3 V setelah merangsang perangkat. c Peluruhan arus yang dinormalisasi terhadap waktu menunjukkan transisi dari STP ke LTP setelah implementasi rangkaian pulsa dari jumlah stimulasi. d Retensi memori dan waktu relaksasi (τ ) ke nomor pulsa

di sini, τ disebut waktu relaksasi, dan β disebut indeks peregangan (0 <β <1). Umumnya, hubungan ini digunakan untuk menggambarkan proses relaksasi pada bahan yang tidak teratur dengan distribusi energi yang acak. Kurva menunjukkan bahwa penurunan berat sinaptik mirip dengan "kurva lupa" memori manusia dalam psikologi [49], yang menampilkan peluruhan cepat di awal yang bisa disebut STP dan kemudian secara bertahap mencapai tingkat stabil yang bisa disebut LTP di perangkat. Namun, pembusukan yang jelas dari arus yang dinormalisasi dalam perangkat diamati dalam interval waktu yang sangat singkat (t ) dan kemudian mencapai tingkat saturasi pada kondisi konduktansi rendah (hingga 16% dalam 50 s). Dalam situasi ini, tanpa perubahan parameter pulsa lainnya, kami telah melakukan proses simulasi lebih lanjut dengan jumlah pulsa yang berulang. The current is measured at a read voltage of +0.3 V immediately after imposing different numbers of pulses (i.e., 25, 50, 100, and 200) from the same initial state for each set of pulse trains. Figure 6c shows that the normalized current decay with time in each set of measurements is fitted by the relation given in Eq. (1). Figure 6d shows that by an increase of the stimulation number, the relaxation time (τ ) increases, indicating forgetting process fades slowly. Meanwhile, an obvious elevation of the current level is observed, implying a positive change in synaptic weight (conductance), as shown in Fig. 6d by the black line. These results presented in Fig. 6 provide clear evidence of the existence of STP and LTP in our device. A smaller number of stimulations can only induce STP in the device, with a slight rise in conductance at saturation level. Therefore, by increasing the number of repetitive stimulations, the rehearsal process not only rises a conductance level but also is achieved a long-lasting memory retention phenomenon, as shown in Fig. 6d by the red line.

The conventional digital-type memories require the non-volatility to store the information, while in bio-synapse, information processes and accordingly reconfigures the memory status. It can be seen in Fig. 6 that the transition from STP to LTP is realized, and the synaptic weight is adjusted accordingly, while the unimportant ones with small synaptic weight are temporarily stored and then diminished with time. This phenomenon is quite similar to the “multi-store model” presented by Atkinson and Shiffrin [50]. In this model, first input information is analyzed, then stored in different hierarchy levels, according to the importance of “synaptic weight” through the rehearsal process. Therefore, an increase in synaptic weight and resultant prolonged relaxation time (τ ) in our device as a function of stimulation numbers has best verified the rehearsal scheme.

Besides the pulse repetition process, the transition of the STP to the LTP phenomenon is further examined as a function of pulse strength. The device response is monitored after implementation of different pulse amplitudes, i.e., +1.2 V, +1.6 V, +2.0 V, and +2.8 V with similar width and interval scale of 3 ms, as shown in Fig. 7a. The current is monitored with a readout voltage of +0.3 V after imposing each pulse train consisting of 50 pulses. The fitted results with the stretched exponential relaxation model in Fig. 7a shows that the relaxation time is increased as a function of pulse strength (as shown in Fig. 7b red line). Meanwhile, as shown in Fig. 7b, an elevation of the synaptic weight of about 90% is observed at a larger τ of 43 s and +2.8 V amplitude, which is much higher than the synaptic weight of about 25% at a smaller τ of 10 s and +1.2 V amplitude (as shown in Fig. 7b black line), indicating the formation of LTP. Based on these results, it is easy to find that the formation and persistence of LTP in our device are highly dependent on both pulse numbers or pulse amplitude. These results coincide with the facts that the memory states, i.e., STM and LTM, and their stabilities in bio-synapses are related to the input stimulus characteristics.

Experimental results of current decay in Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor device after the stimulation process. a The normalized current decay versus time showing the transformation from STP to LTP; b The memory retention and relaxation time (τ ) as a function of the pulse amplitude

The spike-time-dependent-plasticity (STDP) is another fundamental character for learning and memory function [51] in a biological synapse. It has been reported [52] that in the electronic synapse, the weight can be modulated by a relative timing of pre- and post-synaptic pulses. The Hebbian STDP rule works as follows:if the pre-spike precedes the post-spike (Δt> 0), it could reinforce the connection strength between two neurons. In contrast, if the post-spike heads the pre-spike (Δt <0), it could weaken the connection strength between two neurons. Such kinds of reinforcement and weakening of connection strength between two neurons are also called LTP and LTD, respectively [45]. In the whole process, the order of pre- and post-spikes with respect to time determines the weight change (ΔW) polarity. In order to emulate the STDP rule in our device, a pair of pulses (+1.2 V, 5 ms, and −1.2 V, 5 ms) as pre- and post-spiking signals are implemented, as shown in Fig. 8a. It can be seen that there will emerge a more considerable conductance change (synaptic weight) with the decrease of Δt (in both cases when Δt> 0 and Δt <0). The percentage change in synaptic weight is defined as ΔW =(G_t −G₀ )/G₀ × 100%. Here, G₀ is the conductance measured before stimulation and G_t is the conductance measured after the stimulation using pre- and post-spiking pairs, respectively. A plot is shown in Fig. 8b, that can explain the relationship between ΔW and Δt before and after the simulation process. It can be seen that when the pre-synapse (positive) appears before the post-spike (negative) (Δt> 0), the conductance is enhanced with an increase in ΔW along with the decrease in Δt. On the contrary, when the pre-synapse (positive) appears after the post-spike (negative) (Δt <0), the net conductance of the device is decreased (depressed) in ΔW along with the increase in Δt. These results have demonstrated that our Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor device has successfully emulated the Hebbian STDP learning rule in the form of an artificial synapse.

Experimental results for implementation of STDP rule in Ag/SiO_x :Ag/TiO_x /p ⁺⁺ -Si memristor device. a The schematic illustration of implementing electrical programming bias comprising the pair of pulses at amplitudes +1.2 V and −1.2 V fixed with the same width of 5 ms. The approaching time difference between stimulus pulses is Δt ms (t =±10n, n =1, 2, …, 10); b The synaptic weight (ΔW) as a function of spike timing (Δt), demonstrating well on the potentiation and depression behaviors in the memristor device