寧波材料所在人工智能超靈敏突觸器件研究中取得進展

　　近日，谷歌研發(fā)的新版人工智能程序AlphaGo Zero從空白狀態(tài)，在無任何人類輸入的條件下迅速自學(xué)圍棋，并以100:0的戰(zhàn)績擊敗“前輩”AlphaGo，再次引起了人們對人工智能的關(guān)注。基于人類大腦的神經(jīng)形態(tài)工程是人工智能的重要發(fā)展方向之一。人腦是由多達1011-1012個神經(jīng)元組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，雖然它的功耗只有20W，但具有超強的學(xué)習(xí)和認知能力。神經(jīng)元(Neurons)是人腦的基本組成單元，突觸(Synapse)是神經(jīng)元之間在功能上發(fā)生聯(lián)系的部位，也是信息傳遞的關(guān)鍵部位。研制具有生物突觸功能的電子器件，對于構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)電路和實現(xiàn)智能計算機意義重大。憶阻器具有非線性電學(xué)性能和狀態(tài)記憶功能，與生物體的神經(jīng)突觸類似，并可以縮小到納米尺寸，因此憶阻器是實現(xiàn)突觸功能的理想電子器件，使實現(xiàn)與人腦結(jié)構(gòu)類似的人工智能硬件成為可能。

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所納米事業(yè)部功能薄膜與智構(gòu)器件團隊采用輕微氧化的硫化鋅（ZnS）薄膜構(gòu)筑了Cu/ZnS/Pt憶阻型突觸器件，該電子突觸表現(xiàn)出超高的電靈敏性。目前，文獻報道的用于模擬突觸的憶阻器件工作電壓一般為幾百毫伏至幾千毫伏，而生物突觸只需幾十毫伏就可以實現(xiàn)復(fù)雜的功能，現(xiàn)有突觸器件相比生物突觸表現(xiàn)出了較差的電靈敏性，較大的工作電壓增加了器件的功耗和不穩(wěn)定性。該項工作制備的Cu/ZnS/Pt憶阻型突觸器件，在超低電壓(6 mV左右)下實現(xiàn)了神經(jīng)突觸可塑性，從而獲得了一種超高靈敏的突觸仿生器件，其靈敏度甚至超過了生物突觸，且功率低至納瓦量級。此外，通過簡單的集成，構(gòu)筑了5×5超靈敏突觸器件陣列，在超低電壓下實現(xiàn)了記憶和遺忘的動態(tài)過程。超低的工作電壓有助于減小器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，降低器件工作參數(shù)的波動性，并提供了降低器件功耗的新途徑(目前文獻中普遍采用降低工作電流和減小脈沖寬度的手段)。

　　進一步研究發(fā)現(xiàn)，通過細致的微觀結(jié)構(gòu)及成分表征，提出了該憶阻器件表現(xiàn)出優(yōu)異電學(xué)性能和超低工作電壓的機理—離子遷移速率在不同物質(zhì)中存在差異。在輕微氧化條件下，ZnS薄膜近表面的晶界處形成ZnO納米晶粒，導(dǎo)致Cu2+在該體系內(nèi)出現(xiàn)了遷移速率差，在含有ZnO納米晶粒的表面層遷移速率慢，而在純ZnS層遷移速率快，導(dǎo)致Cu細絲在生長過程中出現(xiàn)納米尺寸間隙（＜3 nm），Cu細絲的斷裂和連接位置鎖定在納米間隙處，因此施加超低的電壓就會產(chǎn)生較強的電場，使器件的阻態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，并保證了器件的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上，并申請兩項發(fā)明專利。

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、浙江省杰出青年基金、寧波市科技創(chuàng)新團隊等的資助。

　　圖1.(a, b)低溫退火處理后ZnS薄膜雙層結(jié)構(gòu)示意圖，上層ZnO/ZnS復(fù)合層，下層為純ZnS層；(c)Cu/ZnS/Pt超靈敏突觸基本電學(xué)性能；(d)突觸器件工作機理示意圖

　　圖2.利用5×5突觸陣列對人類記憶和遺忘過程的動態(tài)模擬。(a)分別施加幅值為5和 8 mV的脈沖電壓，實現(xiàn)對大寫字母‘V’和‘Y’的記憶，插圖為單個器件施加不同幅值電壓的電學(xué)響應(yīng)；(b)記憶和遺忘的演變過程，其中‘V’代表短程記憶，‘Y’代表長程記憶