Pengalihan Analog Terdinamai dan Fungsi Sinaptik pada Perangkat Memristor Ag/SiOx:Ag/TiOx/p++-Si

Abstrak

Dalam studi ini, dengan menyisipkan lapisan buffer TiO_x antara lapisan SiO_x:Ag dan elektroda bawah, kami telah mengembangkan perangkat memristor dengan struktur sederhana Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si melalui proses penyendapan uap fisik, di mana pertumbuhan dan pecahan filamen dapat dikontrol secara efisien selama pengalihan analog. Karakteristik sinaptik perangkat memristor dengan rentang perubahan resistansi yang luas untuk modulasi bobot dengan menerapkan urutan pulsa positif atau negatif telah diselidiki secara luas. Beberapa fungsi pembelajaran dan memori telah dicapai secara bersamaan, termasuk potensi/depresi, fasilitasi pulsa berpasangan (PPF), plastisitas jangka pendek (STP), dan transisi STP-ke-LTP (plastisitas jangka panjang) yang dikontrol dengan mengulang pulsa lebih dari operasi latihan, serta spike-time-dependent-plasticity (STDP). Berdasarkan analisis karakteristik I-V logaritmik, ditemukan bahwa evolusi/pemecahan terkontrol filamen Ag konduktif melalui lapisan dielektrik dapat meningkatkan kinerja perangkat memristor yang diuji.

Pendahuluan

Pada tahun 2008, konsep teoretis memristor Prof. Chua [1] menjadi kenyataan ketika Strukov et al. menerbitkan studi mereka tentang hubungan antara fluks magnetik dan muatan dalam perangkat dua terminal kompak berbasis TiO₂ untuk pertama kalinya [2], yang telah memicu minat penelita di seluruh dunia. Selain berbagai aplikasi potensial yang bervariasi dari operasi logika dan sistem radio frekuensi rekonfigürasi hingga aplikasi memori non-volatil [2,3,4], memristor juga telah diselidiki untuk meniru fungsi sinap bio karena struktur dan dinamika kerjanya yang serupa. Kini, secara luas diterima bahwa emulasi langsung fungsi sinap dalam perangkat elektronik adalah krusial untuk pengembangan sistem komputasi neuromorfik terinspirasi otak [5,6,7]. Namun, sinap elektronik yang dirancang secara tradisional didasarkan pada teknologi komplementer metal-oksida-semikonductor (CMOS), yang menderita efek botol leher von Neumann dalam hal proses komputasi yang rumit, batas densitas integrasi dan disipasi energi. Oleh karena itu, penggunaan perangkat dua terminal yang dapat disesuaikan telah menambahkan banyak peluang yang menjanjikan untuk mengembangkan struktur baru untuk sinap elektronik, yang merupakan hasil dari properti unik memristor dengan karakteristik non-volatil, ukuran skala nano, konsumsi daya rendah, respons yang lebih cepat, dll. [8, 9].

Terakhir, berbagai bahan (misalnya, oksida logam seperti ZnO₂, WO_x, SnO_x [10, 11], kalsogenida seperti Cu₂S, Ag₂S [12, 13], dan bahan ferroelektrik seperti La₂O₃, Pb_0.8Ba_0.2ZrO₃ [14, 15]) telah diselidiki untuk desain dan pembuatan perangkat memristor. Untuk banyak perangkat, perubahan resistansi disebabkan oleh migrasi yang diinduksi medan dari rongga oksigen atau ion logam (misalnya, Ag⁺, Cu²⁺, dan Al³⁺) dan pembentukan jalur konduktif yang tinggi. Jalur konduktif dalam memristor umumnya disebut “filamen konduktif (CF),” yang kemudian dapat pecah selama operasi pengalihan. Secara umum, dua jenis perilaku pengalihan telah diamati dalam memristor, yaitu, tiba-tiba (pengalihan digital) dan bertahap (pengalihan analog). Perubahan tiba-tiba dalam resistansi konsisten dengan sinyal digital (0 atau 1), yang bermanfaat untuk penyimpanan informasi [16, 17].

Sebaliknya dengan pengalihan digital, kemampuan penyesuaian konduktansi berkelanjutan dalam memristor memiliki beberapa kesamaan dengan sinap biologi, yang merupakan unit sel dasar untuk fungsi pembelajaran dan memori di otak manusia [18]. Dalam beberapa perangkat memristor, perubahan konduktansi analog yang digunakan untuk meniru modulasi bobot sinap biologi telah terwujud [19, 20]. Ag Ag difusi dalam a-Si dan memristor berbasis oksida dengan struktur Pt/a-Si:Ag/Pt dan Pt/SiO_xN_y:Ag/Pt telah berhasil meniru dinamika Ca²⁺ atau Na⁺ dalam sinap bio [21, 22]. Demikian pula, filamen ion/rongga oksigen dalam memristor berbasis oksida logam juga telah diusulkan untuk mewujudkan fungsi sinap, termasuk potensiasi jangka pendek (STP) dan fasilitasi pulsa berpasangan (PPF) [23, 24]. Namun, aturan pembelajaran biologi beragam, dan hingga saat ini, tidak semua fungsi sinap telah terlibat dalam model memristor [16].

Selain pemilihan bahan, kontrol pertumbuhan dan pecahan filamen dengan menyisipkan lapisan dielektrik tambahan dalam struktur “logam/lapisan memristif/logam” menawarkan beberapa keuntungan untuk meniru fungsi sinap, termasuk STP dan LTP serta konsumsi daya rendah. Terakhir, untuk mengontrol laju pembentukan/pecahan filamen konduktif, Wang et al. [25] telah menunjukkan perilaku pengalihan analog dengan menyisipkan lapisan SiO₂ dalam memristor berbasis TaO_x. Wan et al. [26] juga telah mewujudkan pengalihan analog dan meniru fungsi STP dan STDP dengan menyisipkan lapisan grafen oksida tereduksi dalam struktur memristor Ag/SrTiO₃/FTO untuk mengontrol pertumbuhan berlebih filamen Ag. Selain itu, telah dilaporkan [27, 28] bahwa berdasarkan pengetahuan tentang bahan TiO_x dengan konstanta dielektrik tinggi (~40) dan bandgap rendah (~3 eV), kinerja perangkat memristor dalam hal daya tahan siklus dan keseragaman telah ditingkatkan secara signifikan dengan menyisipkan lapisan tipis TiO₂ dengan lapisan memristif HfO₂. Selain ini, telah dilaporkan [24] bahwa karena mobilitas ion rendah dan laju reaksi redoks rendah, lapisan tipis TiO_x juga dapat bertindak sebagai lapisan buffer untuk mencegah pertumbuhan berlebih filamen konduktif, memungkinkan perilaku sinap yang lebih baik dan menjaga kontak yang baik dari filamen konduktif selama proses pengalihan resistansi.

Dalam artikel ini, kami melaporkan struktur baru perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si dan perilaku pengalihan analognya. Dibandingkan dengan perangkat satu lapisan yang telah dilaporkan sebelumnya [22, 29], ditemukan bahwa penyisipan lapisan TiO_x seperti yang ditunjukkan dalam struktur di atas mempengaruhi perilaku pengalihan perangkat memristor dalam hal memperluas jendela konduktansi dan menjaga keadaan stabil selama proses pengalihan. Selain itu, konduktansi perangkat memristor dapat dengan mudah diubah baik dengan urutan pulsa positif maupun negatif. Hasil terbaru kami menunjukkan bahwa kami berhasil mendapatkan pengalihan analog yang andal dan dengan tekun meniru fungsi sinap bio seperti plastisitas jangka pendek dan panjang (STP dan LTP), fungsi fasilitasi pulsa berpasangan (PPF), plastisitas bergantung waktu spike (STDP) serta transisi STP ke LTP dalam perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si.

Metode

i. Pembuatan perangkat: seperti ditunjukkan pada Gambar 1a, memristor kami dirancang sebagai struktur Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si. Substrat p⁺⁺-Si (15 × 15 mm²) dengan resistansi sekitar 0,01 Ω cm dibersihkan dengan metode standar, dan kemudian perangkat diproduksi pada mereka. Semua proses berikutnya dilakukan pada suhu kamar dalam sistem vakum tinggi. Pertama, lapisan oksida titanium tebal ~10 nm ditetapkan pada substrat p⁺⁺-Si dengan penyendapan magnetron RF menggunakan target keramik TiO₂ murni tinggi. Kemudian, lapisan SiO_x:Ag tebal ~95 nm ditetapkan dengan penyendapan co-sputter RF menggunakan target SiO₂ dengan irisan kecil Ag yang ditempatkan pada jalur sputtering magnetron. Selama proses penyendapan, laju aliran Ar dan tekanan dijaga pada 50 sccm dan 20 mTorr, masing-masing, sementara daya RF dijaga pada 80 W. Akhirnya, elektroda atas (TE) ~30 nm lapisan Ag dibuat melalui teknik fotolitografi dan lift-off di mana lapisan logam tipis ditetapkan dengan menggunakan penyendapan magnetron DC. Diameter elektroda individu sekitar 150 μm.
Metode karakterisasi: pengukuran mikroskop transmisi elektron (TEM) dan analisis spektroskopi fotoelektron sinar X (XPS) dilakukan untuk menganalisis mikrostruktur lapisan SiO_x:Ag dan TiO_x serta status kimia atom Ag, masing-masing, di mana sampel TEM dibuat terlebih dahulu dengan menggunakan ion beam difokuskan (FIB, FEI Nova Nano Lab 200) dan kemudian diamati di bawah sistem TEM FEI Phillips CM10- Supra. Karakterisasi listrik dilakukan dengan analyzer semikonductor (Keithley 2636B) yang terhubung dengan stasiun probe. Selama pengukuran listrik, bias positif dan negatif didefinisikan oleh arus yang mengalir antara elektroda atas dan elektroda bawah. Semua pengukuran listrik dilakukan pada suhu kamar di udara.

Pengalihan Analog Terdinamai dan Fungsi Sinaptik pada Perangkat Memristor Ag/SiOx:Ag/TiOx/p++-Si

Hasil dan Diskusi

Skematis perangkat dan konfigurasi pengukuran dijelaskan pada Gambar 1a. Perangkat memiliki struktur sederhana yang terdiri dari lapisan tipis SiO_x:Ag dan TiO_x yang tersandwic di antara elektroda TE Ag dan BE p⁺⁺-Si yang dikonfirmasi oleh TEM penampang silang sel memristor dan pemetaan elemen yang ditunjukkan pada Gambar 1b dan c. Status kimia atom Ag pada permukaan SiO_x dianalisis dengan XPS, seperti ditunjukkan pada Berkas tambahan 1: Gambar S1. Spektra Ag3d untuk Ag diuraikan menjadi satu doblet dengan energi ikatan 368,0 eV untuk Ag3d_5/2 dan 374,0 eV untuk Ag3d_3/2, yang secara tepat ditetapkan ke status logam Ag. Gambar HRTEM pada Berkas tambahan 1: Gambar S2 menunjukkan penampang silang lapisan TiO_x amorf, sementara klaster Ag kecil terlihat dalam lapisan SiO_x:Ag, yang mungkin disebabkan oleh difusi keluar Ag selama proses persiapan sampel TEM untuk meminimalkan energi interfase total dari sistem material [22]. Selain itu, Transformasi Fourier Cepat (FFT) mengonfirmasi bahwa klaster Ag yang tersemat dalam SiO_x berstruktur poli kristal, seperti kristal Ag (111) dan Ag (002). Dalam perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si, Ag/SiO_x:Ag dan TiO_x/p⁺⁺-Si sebagai membran sinap pra dan pasca, masing-masing, seperti diilustrasikan pada Gambar 1a. Perubahan bobot sinap melalui pelepasan ion Ca²⁺ atau Na²⁺ di celah antara membran sinap pra dan pasca yang disebut “cleft” oleh membran sinap pra ketika pulsa nerat diterima. Demikian pula, konduktansi perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si dapat diubah secara buatan sebagai sinap elektronik melalui migrasi ion Ag di bawah impuls tegangan.

Gambar 2a menunjukkan kurva arus-tegangan (I-V) perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si pada skala semilogaritmik. Di bawah sweeping bias 0 V → +4,0 V → −4,0 V → 0 V, kurva I-V yang diukur menunjukkan loop histeresis dicolok, yang merupakan sidik jari memristor. Ketika bias positif diterapkan pada elektroda TE Ag, peningkatan bertahap dalam arus hingga batas arus kepatuhan (I_cc) terjadi, dan status resistansi perangkat berubah dari status resistansi tinggi (HRS) ke status resistansi rendah (LRS), yang disebut proses “SET”. Sedangkan, ketika bias negatif diterapkan pada elektroda TE Ag, penurunan dalam arus terjadi, dan status resistansi dikembalikan ke HRS dari LRS, yang disebut proses “RESET”. Ini menunjukkan bahwa konduktivitas perangkat dapat diubah sesuai dengan sweep bias positif atau negatif, menunjukkan perilaku pengalihan resistansi bipolar. Alih-alih peningkatan atau penurunan tiba-tiba dalam arus selama proses SET dan RESET pada regime tegangan tinggi, sangat menariknya, arus perangkat berturut-turut meningkat atau menurun di bawah sweeping tegangan berulang 0 V → +2,1 V atau 0 V → −2,1 V, seperti ditunjukkan pada Gambar 2b. Hubungan arus dan tegangan versus waktu (I-V-t) juga digambar pada inset Gambar 2b untuk menunjukkan perubahan konduktansi lebih jelas. Seperti dalam sinap bio, respons perangkat yang jelas dari evolusi arus down-up atau up-down diamati setelah penerapan bagian positif (1st-5th) dan negatif (6th-10th) dari kurva I-V, masing-masing. Peningkatan (atau penurunan) berkelanjutan dalam arus selama sweeping tegangan positif (atau negatif) menunjukkan bahwa resistansi perangkat dapat diubah oleh mode sweeping DC. Juga diamati bahwa selama setiap sweeping positif atau negatif berikutnya, kurva I-V mengambil tempat terakhir yang ditinggalkan, menunjukkan fitur pengalihan analog yang khas untuk perangkat memristor. Performa daya tahan perangkat memristor dapat dievaluasi dengan menerapkan sweeping tegangan bipolar yang lebih luas pada tegangan bacaan +0,3 V, seperti pada Gambar 2c, yang menunjukkan bahwa perangkat dapat dioperasikan secara stabil dan seragam antara LRS dan HRS selama operasi set/reset selama 10³ siklus.

Perangkat memristor juga dapat dioperasikan di bawah sinyal pulsa alih-alih sweeping tegangan bias DC. Gambar 2d menunjukkan respons perangkat dalam bentuk potensiasi atau depresi setelah penerapan pulsa memotensiasi (bias positif) dan mendpresikan (bias negatif) berulang. Amplitudo pulsa memotensiasi dan mendpresikan adalah +1,2 V dan −1,2 V, masing-masing, dan semua lebar pulsa dan jeda dipertahankan pada 5 ms. Di sini, modulasi konduktansi dalam perangkat diamati terlepas dari bias pulsa positif atau negatif, yang mirip dengan respons sinap dalam bentuk potensiasi atau depresi di bawah stimulus memotensiasi dan mendpresikan, masing-masing. Terjampa jelas bahwa respons perangkat dapat disesuaikan dari siklus ke siklus tergantung pada jumlah pulsa stimulus, menunjukkan bahwa potensiasi dan depresi yang stabil dan seragam di luar polaritas bias yang diterapkan dapat digunakan untuk meniru penyesuaian bobot dan peningkatan memori dalam sinap elektronik [30].

Untuk pemahaman perilaku pengalihan, mekanisme konduksi dianalisis dengan mencocokkan karakteristik I-V. Untuk tujuan ini, memristor mandiri berbasis tipis film SiO_x:Ag dengan struktur Ag/SiO_x:Ag/p⁺⁺-Si juga diproduksi. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3a, respons perangkat terhadap sweeping tegangan quasi-DC menunjukkan perilaku pengalihan ambang yang khas, seperti dilaporkan sebelumnya [29, 31]. Arah panah menunjukkan bahwa perangkat dapat dicicli antara dua keadaan sebagai memori volabel. Namun, kurva I-V perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si menunjukkan bahwa situasi sangat berbeda dari perangkat memristor mandiri berbasis SiO_x:Ag. Gambar 3b menunjukkan bahwa perangkat menunjukkan perilaku pengalihan bipolar dalam aspek LRS dan HRS di bawah bagian positif dan negatif dari kurva I-V, sedangkan tegangan operasinya relatif lebih tinggi. Gambar 3c menunjukkan kurva I-V perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si, yang dicocokkan sebagai Ln(I) versus Ln(V) dari data wilayah positif untuk HRS dan LRS. Hasil pencocokan ini menunjukkan bahwa perilaku transportasi muatan pada HRS konsisten dengan mekanisme konduksi ruang muatan terbatas jebakan (SCLC) klasik, yang terdiri dari tiga bagian sebagai wilayah Ohmik (I/V), wilayah hukum Child (I/V²), dan wilayah peningkatan arus tajam [32]. Sedangkan, perilaku linier pada LRS, di mana lerengnya = 1, menunjukkan perilaku Ohmik yang baik, seperti ditunjukkan pada Gambar 3c. Perbedaan perilaku konduksi pada HRS dan LHR dibuktikan oleh pembentukan filamen Ag konduktif pada LRS [32]. Gambar 3d lebih mendukung bahwa pengalihan resistansi disebabkan oleh pembentukan/pecahan filamen konduktif. Terlihat bahwa sementara LRS perangkat independen dari ukuran sel perangkat, HRS perangkat proporsional terhadap ukuran sel. Properti independen ukuran ini pada LRS umumnya diamati dalam perangkat memori berbasis filamen konduktif [33]. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa fenomena pengalihan resistansi dalam perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si biasanya berasal dari pembentukan/pecahan terkontrol filamen konduktif di bawah bias tegangan positif/negatif. Perubahan bertahap dalam konduktansi mungkin disebabkan oleh variasi jarak penampang silang antara TE dan BE di bawah medan listrik yang mirip dengan laporan lain [34]. Jadi, total resistansi perangkat dapat digambarkan sebagai R = Rij = V/I sesuai dengan rangkaian setara, di mana Rij didefinisikan sebagai resistansi yang terkait dengan ukuran jarak lateral CF antara TE dan BE. Oleh karena itu, jika jarak ini dapat disesuaikan melalui modulasi ukuran filamen Ag antara TE dan BE menggunakan bias yang diprogram dengan baik, maka konduksi atau resistansi perangkat memristif dapat diubah secara bertahap.

Model fisik yang sesuai juga disajikan pada Gambar 4 untuk menafsirkan mekanisme pengalihan dalam perangkat memristor mandiri SiO_x:Ag dan SiO_x:Ag/TiO_x. Perilaku nanopartikel Ag dalam sel berbasis SiO_x dapat ditafsirkan berdasarkan reaksi elektrokimia (migrasi dan akumulasi ion Ag dan atom Ag) antara elektroda bipolar seperti dilaporkan sebelumnya [22, 35]. Ketika tegangan sweeping diterapkan, nanopartikel Ag tumbuh lebih jauh untuk menutupi celah antara elektroda, menghasilkan peningkatan arus tiba-tiba hingga tingkat kepatuhan, dan memristor menyala pada LRS (seperti ditunjukkan pada panel tengah Gambar 4a). Setelah pengisian bias listrik dihilangkan, klaster Ag yang panjang yang membentuk jembatan awal menyusut sekarang dengan cepat [22], dan perangkat kembali ke HRS (seperti ditunjukkan pada panel terakhir Gambar 3a) [35], yang menunjukkan perilaku pengalihan ambang bipolar dalam memristor yang dapat dicicli antara dua keadaan seperti dalam perangkat memori volabel.

Situasi sangat berbeda dalam kasus perangkat memristor berbasis SiO_x:Ag/TiO_x, di mana lapisan tipis SiO_x memiliki bandgap tinggi (~9 eV) dan konstanta dielektrik yang lebih rendah (~3), tetapi lapisan TiO_x memiliki bandgap rendah (~3 eV) dan konstanta dielektrik tinggi (~40), yang membuat medan listrik di seluruh lapisan SiO_x lebih tinggi dari pada lapisan TiO_x, melarutkan lebih banyak atom Ag dalam lapisan switching [28]. Ini adalah mobilitas ion rendah dan laju reaksi redoks rendah dari oksida titanium yang mengontrol migrasi dan akumulasi atom Ag dan ion Ag di seluruh lapisan interfase [36]. Dua fakta ini, seperti disebutkan di atas, dapat menyebabkan pembentukan filamen berbentuk kerucut nano dari TE ke BE [37]. Wilayah logam yang terpusat dalam bentuk pembatasan efektif pertumbuhan filamen dalam bentuk kerucut nano dari TE ke BE dapat menawarkan kontrol status resistansi selama operasi siklus [38]. Ketika elektroda atas Ag cukup positif di bias di seluruh lapisan ganda, medan listrik di seluruh lapisan dielektrik cukup untuk mendorong ion Ag dari elektroda TE Ag ke elektroda BE p⁺⁺-Si melalui lapisan interfase, yang mengakibatkan penurunan celah efektif antara elektroda (seperti ditunjukkan pada panel tengah Gambar 4b). Filamen Ag tidak terlarut kecuali tegangan negatif diberikan dan cenderung mempertahankan bentuk aslinya bahkan ketika tegangan bias dihilangkan. Ketika tegangan negatif diberikan, RESET normal dimulai, dan CF Ag sebagian terdesolasi (biasanya pada lokasi yang paling tipis) karena proses elektrokimia yang didukung termal [39]. Perangkat memristor mati dan kembali ke HRS (panel terakhir Gambar 4b), dan kemudian secara reversibel dicicli antara dua keadaan (ditunjukkan pada Gambar 3b) sebagai perangkat memori non-volatil. Panel kiri Gambar 4b menunjukkan bahwa filamen yang dibentuk di sini harus lebih tebal dari pada di panel tengah Gambar 4a, yang tidak dapat terlarut dan pecah kecuali tegangan negatif diberikan. Bagian filamen dalam lapisan SiO_x masih jauh lebih tipis dari pada bagian kerucut nano dalam lapisan TiO_x, dan bentuk filamen keseluruhan agak seperti kerucut nano. Jadi, ketika bias negatif diberikan, filamen akan pecah dengan cepat ketika tegangan negatif diberikan (Gambar 3b), sedangkan tegangan akan ditingkatkan lebih lanjut dan arus kembali meningkat, yang menunjukkan risiko SET negatif pada rentang bias tinggi karena sisa atom Ag yang ada di dekat permukaan elektroda BE.

Sebenarnya, total resistansi memristor pada HRS hanya terkait dengan celah antara ujung kerucut filamen nano dan elektroda bawah, yang dapat ditingkatkan atau diturunkan dengan menyesuaikan bias listrik [33]. Kecenderungan untuk mengubah HRS dalam memristor dapat dilihat pada Gambar 2b, di mana arus dapat meningkat atau menurun berturut-turut di bawah sweeping bias berulang dari 0 V hingga +2,1 V dan dari 0 V hingga −2,1 V, masing-masing. Di sisi lain, sweeping konstan tegangan di bawah +2,1 V tidak cukup untuk membentuk filamen konduktif di seluruh TE dan BE. Alih-alih, filamen Ag konduktif dapat secara bertahap mengakumulasi atom Ag, yang mengakibatkan penurunan celah efektif antara elektroda, seperti ditunjukkan pada Berkas tambahan 1: Gambar S3. Oleh karena itu, dengan menggunakan bias pemrograman yang tepat, transisi dari pengalihan ambang khas ke pengalihan bertahap dapat terwujud, dan total resistansi sel memori dapat diubah melalui penyesuaian celah efektif antara elektroda seperti yang dapat diamati dalam sinap biologis.

Mirip dengan sinap bio, stimulus input dengan pemrograman pulsa yang tepat dapat mengubah status konduktansi perangkat memristor untuk melakukan beberapa tugas syaraf. PPF adalah jenis fitur penting lainnya, yang dapat menyesuaikan konduktansi dengan penjumlahan waktu stimulus input dan melakukan beberapa tugas syaraf jangka pendek, termasuk penyaringan sinap dan adaptasi [40, 41]. Fungsi PPF dalam sinap bio bekerja sebagai berikut: respons sinap pasca kedua menjadi lebih tinggi dari yang pertama selama dua stimulus spike berturut-turut, dengan menjeda waktu spike yang lebih pendek dari waktu pemulihan [22]. Gambar 5a menunjukkan respons perangkat, yang dipantau setelah menerapkan pasang pulsa fasilitasi pada amplitudo +2,0 V dengan lebar dan jeda tetap yang disebut skala 0,08 s. Peningkatan arus yang mencolok sebagai respons dari pulsa kedua daripada pulsa pertama diamati, menunjukkan perubahan yang jelas dalam status konduktansi setelah penerapan pemrograman pulsa yang tepat. Selama jeda antara dua pulsa berikutnya, penurunan arus diamati, yang dapat dikaitkan dengan keberadaan karakter volabel dalam perangkat. Penurunan konduktansi mungkin sesuai dengan difusi atom Ag setelah penghapusan pulsa memotensiasi [42]. Fungsi PPF yang berhasil hanya dapat dieksekusi ketika jeda waktu antara dua pulsa berturut-turut lebih pendek dari waktu relaksasi difusi atom Ag, yang menyebabkan lebih banyak atom Ag dorong ke dalam lapisan SiO_x:Ag/TiO_x. Selain itu, keadaan saturasi dicapai ketika perangkat terus-menerus di-stimulasi dengan sejumlah pulsa fasilitasi pada amplitudo +2,0 V dan lebar serta jeda tetap yang disebut skala 0,08 s, seperti ditunjukkan pada Gambar 5b. Hasilnya menunjukkan bahwa ketika pulsa berfrekuensi tinggi diterapkan, yang memompa lebih banyak atom Ag ke dalam lapisan SiO_x hingga jembatan konduktif terbentuk di seluruh TE dan BE, mencapai tingkat saturasi [22]. Fenomena ini mirip dengan aturan pembelajaran Hebbian, di mana perubahan bobot sinap harus memiliki nilai saturasi untuk menghindari kelebihan ekscitabilitas neuron dengan spike pulsa yang tidak terwarnai dari urutan pulsa [43].

Selanjutnya, sama seperti dalam sinap biologis, memristor akan mengalami kehilangan memori dengan penurunan tiba-tiba dalam arus setelah penerapan spike memotensiasi, yang dapat disebut sebagai keberadaan STP dalam memristor [44, 45]. Dalam neurobiologi, STP dan LTP umumnya disebut sebagai memori jangka pendek (STM) dan memori jangka panjang (LTM) [46]. Telah terbukti bahwa transisi STP ke LTP dapat terjadi melalui stimulus berulang (yaitu proses latihan) [46, 47]. Untuk memverifikasi dan membandingkan perilaku ini dengan yang diamati dalam sinap biologis, urutan pulsa tegangan telah diterapkan pada perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si kami. Gambar 6a menunjukkan peningkatan arus dari keadaan awal 0,05 mA menjadi 1,8 mA setelah penerapan 15 pulsa berturut-turut (amplitudo +1,4 V, lebar dan jeda 5 ms). Penurunan arus dinormalisasi ((I_t-I_o)/I_o × 100%) diukur pada tegangan bacaan +0,3 V segera setelah memberlakukan pulsa memotensiasi dengan waktu (t), seperti ditunjukkan pada Gambar 6b. Hubungan antara penurunan arus dinormalisasi dan waktu cocok dengan hubungan yang diberikan dalam Eq. (1) [48]:

$$ {\Delta I}_t/{\Delta I}_o\times 100\%=\exp \left[-{\left(t/\tau \right)}^{\beta}\right] $$ (1)

di sini, τ disebut waktu relaksasi, dan β disebut indeks geser (0 < β < 1). Secara umum, hubungan ini digunakan untuk menggambarkan proses relaksasi dalam material tidak teratur dengan distribusi acak energi. Kurva menunjukkan bahwa penurunan bobot sinap mirip dengan “kurva lupa” memori manusia dalam psikologi [49], yang memiliki penurunan cepat di awal yang dapat disebut STP dan kemudian secara bertahap mencapai tingkat stabil yang dapat disebut LTP dalam perangkat. Namun, penurunan yang jelas dari arus dinormalisasi dalam perangkat diamati dalam interval waktu yang sangat pendek (t) dan kemudian mencapai tingkat saturasi pada keadaan konduktansi rendah (hingga 16% dalam 50 detik). Dalam situasi ini, tanpa perubahan lain pada parameter pulsa, kami telah melakukan simulasi lebih lanjut dengan jumlah pulsa berulang. Arus diukur pada tegangan bacaan +0,3 V segera setelah memberlakukan berbagai jumlah pulsa (yaitu, 25, 50, 100, dan 200) dari keadaan awal yang sama untuk setiap set urutan pulsa. Gambar 6c menunjukkan bahwa penurunan arus dinormalisasi dengan waktu dalam setiap set pengukuran cocok dengan hubungan yang diberikan dalam Eq. (1). Gambar 6d menunjukkan bahwa dengan peningkatan jumlah stimulus, waktu relaksasi (τ) meningkat, menunjukkan bahwa proses lupa perlahan memudar. Sementara itu, peningkatan yang jelas dalam tingkat arus diamati, yang mengimplicasikan perubahan positif dalam bobot sinap (konduktansi), seperti ditunjukkan pada Gambar 6d oleh garis hitam. Hasil ini yang disajikan pada Gambar 6 memberikan bukti yang jelas akan keberadaan STP dan LTP dalam perangkat kami. Jumlah stimulus yang lebih kecil hanya dapat menginduksi STP dalam perangkat, dengan kenaikan sedikit dalam konduktansi pada tingkat saturasi. Oleh karena itu, dengan meningkatkan jumlah stimulus berulang, proses latihan tidak hanya meningkatkan tingkat konduktansi tetapi juga dicapai fenomena retensi memori yang berkepanjangan, seperti ditunjukkan pada Gambar 6d oleh garis merah.

Selain proses pengulangan pulsa, transisi dari STP ke LTP phenomenon lebih ditinjau sebagai fungsi dari kekuatan pulsa. Respons perangkat dipantau setelah penerapan amplitudo pulsa yang berbeda, yaitu, +1,2 V, +1,6 V, +2,0 V, dan +2,8 V dengan skala lebar dan jeda yang sama sebesar 3 ms, seperti ditunjukkan pada Gambar 7a. Arus dipantau dengan tegangan bacaan +0,3 V setelah memberlakukan setiap urutan pulsa yang terdiri dari 50 pulsa. Hasil pencocokan dengan model relaksasi eksponensial tergerak pada Gambar 7a menunjukkan bahwa waktu relaksasi meningkat sebagai fungsi dari kekuatan pulsa (seperti ditunjukkan pada Gambar 7b garis merah). Sementara itu, seperti ditunjukkan pada Gambar 7b, kenaikan bobot sinap sekitar 90% diamati pada τ yang lebih besar 43 s dan amplitudo +2,8 V, yang jauh lebih tinggi dari bobot sinap sekitar 25% pada τ yang lebih kecil 10 s dan amplitudo +1,2 V (seperti ditunjukkan pada Gambar 7b garis hitam), yang menunjukkan pembentukan LTP. Berdasarkan hasil ini, mudah ditemukan bahwa pembentukan dan keberlangsungan LTP dalam perangkat kami sangat tergantung pada baik jumlah pulsa atau amplitudo pulsa. Hasil ini cocok dengan fakta bahwa status memori, yaitu, STM dan LTM, dan stabilitas mereka dalam sinap bio terkait dengan karakteristik stimulus input.

Spike-time-dependent-plasticity (STDP) adalah karakter fundamental lain untuk fungsi pembelajaran dan memori [51] dalam sinap biologis. Telah dilaporkan [52] bahwa dalam sinap elektronik, bobot dapat diubah oleh waktu relatif pulsa sinap pra dan pasca. Aturan Hebbian STDP bekerja sebagai berikut: jika spike pra mendahului spike pasca (Δt > 0), ini dapat memperkuat kekuatan koneksi antara dua neuron. Sebaliknya, jika spike pasca mendahului spike pra (Δt < 0), ini dapat melemahkan kekuatan koneksi antara dua neuron. Penguatan dan pemlemahan kekuatan koneksi antara dua neuron ini juga disebut LTP dan LTD, masing-masing [45]. Dalam seluruh proses, urutan spike pra dan pasca terhadap waktu menentukan polaritas perubahan bobot (ΔW). Untuk meniru aturan STDP dalam perangkat kami, pasang pulsa (+1,2 V, 5 ms, dan −1,2 V, 5 ms) sebagai sinyal spike pra dan pasca diterapkan, seperti ditunjukkan pada Gambar 8a. Terlihat bahwa akan muncul perubahan konduktansi yang lebih besar (bobot sinap) dengan penurunan Δt (dalam kedua kasus ketika Δt > 0 dan Δt < 0). Persentase perubahan bobot sinap didefinisikan sebagai ΔW = (G_t−G₀)/G₀ × 100%. Di sini, G₀ adalah konduktansi yang diukur sebelum stimulasi dan G_t adalah konduktansi yang diukur setelah stimulasi menggunakan pasang spike pra dan pasca, masing-masing. Plot ditunjukkan pada Gambar 8b, yang dapat menjelaskan hubungan antara ΔW dan Δt sebelum dan setelah proses simulasi. Terlihat bahwa ketika sinap pra (positif) muncul sebelum spike pasca (negatif) (Δt > 0), konduktansi ditingkatkan dengan kenaikan ΔW seiring dengan penurunan Δt. Sebaliknya, ketika sinap pra (positif) muncul setelah spike pasca (negatif) (Δt < 0), konduktansi bersih perangkat menurun (terdepresi) dalam ΔW seiring dengan kenaikan Δt. Hasil ini telah menunjukkan bahwa perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si kami telah berhasil meniru aturan pembelajaran Hebbian STDP dalam bentuk sinap buatan.

Kesimpulan

Dalam ringkasan, jenis baru perangkat memristor dengan struktur sederhana Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si telah diproduksi oleh proses penyendapan uap fisik. Karakteristik sinaptik memristor dengan rentang perubahan resistansi yang luas untuk modulasi bobot sinap dengan menerapkan urutan pulsa positif atau negatif telah diselidiki secara luas. Beberapa fungsi penting pembelajaran dan memori telah ditunjukkan secara bersamaan dalam perangkat memristor tunggal yang diproduksi ini, termasuk potensiasi/depresi jangka pendek/panjang (STP/STD, LTP/LTD), PPF dan transisi STP-ke-LTP serta STDP, yang disesuaikan dan dikontrol dengan mengulang pulsa lebih dari operasi latihan. Selain itu, analisis karakteristik I-V logaritmik dengan model fisik yang sesuai menunjukkan bahwa pembentukan/pemecahan terkontrol filamen Ag di antara elektroda Ag dan p⁺⁺-Si dapat meningkatkan kinerja perangkat memristor Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si baru dengan lapisan buffer TiO_x di antara lapisan SiO_x:Ag dan elektroda bawah. Perangkat yang dikembangkan ini, sebagai sinap buatan, mungkin membawa prospek penelitian yang berpotensi dalam desain dan implementasi perangkat keras jaringan saraf biomimetik dan sistem komputasi generasi baru.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data sepenuhnya tersedia tanpa pembatasan.

Singkatan

BE:: Elektroda bawah
HRS:: Status resistansi tinggi
I-V:: Arus-tegangan
LRS:: Status resistansi rendah
LTM:: Memori jangka panjang
LTP:: Plastisitas jangka panjang
PPF:: Fasilitasi pulsa berpasangan
SCLC:: Konduksi ruang muatan terbatas
STDP:: Plastisitas bergantung waktu spike
STM:: Memori jangka pendek
STP:: Plastisitas jangka pendek
TE:: Elektroda atas
TEM:: Mikroskop transmisi elektron
XPS:: Spektroskopi fotoelektron sinar X

Citra & Terapi Ultrasound Terpadu Ovari dengan Nanopartikel Proteina Perfluoropentan Responsif pH Sintesis Hijau One-Step Efisien Nanopartikel Emas Multifungsi untuk Citra & Terapi Tumor Terpadu

bahan nano