铁电忆阻器在神经形态应用的研究

发布时间：2020-06-13 19:32

【摘要】：随着大数据时代的来临,带来了对高性能计算的迫切需求,然而,冯·诺依曼瓶颈(CPU与内存之间的数据传输速率有限)的存在严重阻碍了计算机处理复杂实时数据(包括图像、视频或声音等非结构化感官数据)能力的提高,在这样的背景下,研究人员迫切想要构建新型的计算机架构。人脑不仅十分善于处理非结构化的信息,而且具有高效、智能的存储与计算相结合的并行架构,建造一台能像人脑一样的计算机(brian-inspired computer)是未来计算机发展的趋势,也是人类长久以来的梦想。作为人脑神经系统的基本构成部分——神经突触,对它的模拟是建立大规模神经形态系统的关键。忆阻器独特的电学传输特性与生物突触极为类似,因此具有很大的潜力作为电子突触器件应用于神经形态系统中,本文以钙钛矿型铁电材料——钛酸钡(BaTiO_3)为基础,开展了一系列基于铁电忆阻器件的研究工作,利用脉冲激光沉积技术进行薄膜的生长,探索工艺参数(温度和氧压)对于BaTiO_3薄膜生长的影响,主要以晶格结构、表面形貌、铁电性等方面的测试结果作为薄膜质量的判别依据,并从中寻找薄膜生长的最佳窗口,并在此基础上探索了利用钙钛矿镍酸盐——镍酸钐(SmNiO_3)代替钌酸锶(SrRuO_3)作为底电极之后器件的阻变特性,实验发现使用Sm Ni O_3为底电极时,器件具有更好的阻变性能,包括大的开关比,优异的抗疲劳特性和保持特性,以及多阻态特性。通过对结果的分析得知,器件中的阻变主要来自于铁电极化调控作为P型半导体的SmNiO_3界面处载流子浓度的变化,从而引起Ba Ti O_3/SmNiO_3界面p-n结势垒的变化,因此阻变性能得到了改善。本文最后还成功地利用基于SmNiO_3作为底电极的铁电忆阻器对生物突触的部分性能进行了模拟,包括非线性传输特性,权重饱和特性,以及大脑的高级学习法则——脉冲时间依赖可塑性(STDP),除此之外,还对器件的抗疲劳特性以及功耗进行了测试,测试结果显示器件具有良好的抗疲劳特性以及实现超低功耗的潜力。
【图文】：

图 1. 1 四个基本电学变量与元器件之间的关系[5]提出近 40 年来，人们一直没有获得相应的实物实验室工作者提出了基于二氧化钛交叉阵列的存储单元就是蔡绍棠教授预言的忆阻器的实物

惠普实验室忆阻器的物理模型
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM221;TN60

【参考文献】

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1 陈光红,于映,罗仲梓,吴清鑫;AZ5214E反转光刻胶的性能研究及其在剥离工艺中的应用[J];功能材料;2005年03期

2 杨晓梅;突触传递的长时程抑制的研究进展[J];解剖学研究;2002年02期

3 陈戈明,蒋敏捷,陈志雄;突触传递长时程抑制的研究进展[J];生理科学进展;1997年03期

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本文编号：2711635