近日,，廣州大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院潘書生教授團隊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，首次在單個憶阻器上觀察到雪崩臨界現(xiàn)象并進用于類腦感知應(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)界普遍認為大腦的工作狀態(tài)通常處于接近雪崩臨界點的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下,，當某個神經(jīng)元被激活并放電時,，它可能會引發(fā)周圍數(shù)以千計的神經(jīng)元發(fā)生動作電位，從而使信號能夠在整個系統(tǒng)中廣泛傳播,。這種雪崩臨界狀態(tài)實現(xiàn)了大腦在信息存儲和信息處理之間的最佳平衡,。最近的研究表明，隨機憶阻器網(wǎng)絡(luò)具有雪崩臨界性,，這主要是由于其無標度網(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際應(yīng)用聯(lián)系起來,，仍然是一個待解決的問題。
2 研究內(nèi)容
研究組在前期高可靠性二維氧化硅（SiOx）憶阻器的工作基礎(chǔ)上,，進一步采用統(tǒng)計方法研究Ag/SiOx/Si硅基憶阻器的電流噪聲信號,。在外界電場的驅(qū)動下，來自頂電極的活性Ag原子會逐漸注入到SiOx阻變層中,。當Ag原子的持續(xù)注入和焦耳熱導(dǎo)致的熱溶解效應(yīng)達到平衡,，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)。當器件處于該狀態(tài)時,，阻變層內(nèi)Ag原子開關(guān)行為會激活網(wǎng)絡(luò)中其他鄰近間隙的電場變化,，并引發(fā)一系列電導(dǎo)的劇烈波動，即雪崩行為,。通過對電導(dǎo)波動的統(tǒng)計分析,，可以發(fā)現(xiàn)雪崩的尺寸和持續(xù)時間的統(tǒng)計分布遵循冪律分布，且雪崩的形狀具有自相似性,。進一步分析發(fā)現(xiàn),，不同估測方法（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)的信號感知方面也起著重要作用,。受此啟發(fā),，團隊利用憶阻器的臨界性，成功地模擬了聽覺系統(tǒng)中毛細胞的頻率選擇功能,，并實現(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)獨立完成,，文章的第一作者是材料科學(xué)與工程專業(yè)2021級碩士研究生馬澤霖，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,，廣州市科技計劃基金,，廣州大學(xué)“2+5”學(xué)科與科研創(chuàng)新平臺—“新材料新裝備新制造”平臺的大力支持。
論文來源
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00389
ENGLISH
郵編：510006 
郵箱：
通訊地址：廣州市大學(xué)城外環(huán)西路230號
