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近日，廣州大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院潘書生教授團(tuán)隊(duì)青年教師葛軍等在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域知名期刊Nano Letters上發(fā)表論文，首次在單個(gè)憶阻器上觀察到雪崩臨界現(xiàn)象并進(jìn)用于類腦感知應(yīng)用，為構(gòu)建低功耗和高性能的仿生神經(jīng)形態(tài)硬件系統(tǒng)開辟了新的研究途徑。

1 研究背景

學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為大腦的工作狀態(tài)通常處于接近雪崩臨界點(diǎn)的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，當(dāng)某個(gè)神經(jīng)元被激活并放電時(shí)，它可能會(huì)引發(fā)周圍數(shù)以千計(jì)的神經(jīng)元發(fā)生動(dòng)作電位，從而使信號(hào)能夠在整個(gè)系統(tǒng)中廣泛傳播。這種雪崩臨界狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了大腦在信息存儲(chǔ)和信息處理之間的最佳平衡。最近的研究表明，隨機(jī)憶阻器網(wǎng)絡(luò)具有雪崩臨界性，這主要是由于其無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和金屬原子開關(guān)的行為特性。然而，關(guān)于單個(gè)憶阻器是否具有臨界性仍存在爭議，并且如何將雪崩臨界性與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，仍然是一個(gè)待解決的問題。

2 研究內(nèi)容

研究組在前期高可靠性二維氧化硅（SiO_x）憶阻器的工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用統(tǒng)計(jì)方法研究Ag/SiO_x/Si硅基憶阻器的電流噪聲信號(hào)。在外界電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，來自頂電極的活性Ag原子會(huì)逐漸注入到SiO_x阻變層中。當(dāng)Ag原子的持續(xù)注入和焦耳熱導(dǎo)致的熱溶解效應(yīng)達(dá)到平衡，器件將調(diào)整到介于絕緣和導(dǎo)通之間的滲流臨界狀態(tài)。當(dāng)器件處于該狀態(tài)時(shí)，阻變層內(nèi)Ag原子開關(guān)行為會(huì)激活網(wǎng)絡(luò)中其他鄰近間隙的電場(chǎng)變化，并引發(fā)一系列電導(dǎo)的劇烈波動(dòng)，即雪崩行為。通過對(duì)電導(dǎo)波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)雪崩的尺寸和持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分布遵循冪律分布，且雪崩的形狀具有自相似性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，不同估測(cè)方法（破裂關(guān)系、平均雪崩大小、形狀折疊）獲得的臨界指數(shù)高度一致。這些證據(jù)都是憶阻器中滲流網(wǎng)絡(luò)具有復(fù)雜時(shí)空相關(guān)性和存在雪崩臨界行為的重要支撐。臨界性在生物神經(jīng)的信號(hào)感知方面也起著重要作用。受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)利用憶阻器的臨界性，成功地模擬了聽覺系統(tǒng)中毛細(xì)胞的頻率選擇功能，并實(shí)現(xiàn)了克服香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理（采樣頻率至少為信號(hào)最高頻率的兩倍）限制的波形復(fù)現(xiàn)功能。

憶阻器臨界性在類腦感知的應(yīng)用

3 研究相關(guān)

上述工作以“Criticality and Neuromorphic Sensing in a Single Memristor”為題發(fā)表在國際期刊Nano Letters，該雜志屬于自然指數(shù)(Nature Index)期刊之一。該工作由廣州大學(xué)獨(dú)立完成，文章的第一作者是材料科學(xué)與工程專業(yè)2021級(jí)碩士研究生馬澤霖，葛軍博士為通訊作者，潘書生教授參與了研究工作。本研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省教育廳基金，廣州市科技計(jì)劃基金，廣州大學(xué)“2+5”學(xué)科與科研創(chuàng)新平臺(tái)—“新材料新裝備新制造”平臺(tái)的大力支持。

論文來源

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00389