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基于脉冲激光沉积法制备的层状SnSe薄膜的双模电子突触
摘要： 人工突触（如忆阻电子突触）因其对神经形态计算的潜在价值而受到全球关注，该技术有望大幅减小计算机体积并降低能耗。研究表明，引入层状二维材料可提升忆阻电子突触的性能。然而，通过可扩展方法制备大面积层状二维薄膜仍是挑战，这极大限制了二维材料的工业应用潜力。本研究采用可扩展的脉冲激光沉积（PLD）法制备了大面积层状SnSe薄膜，并将其作为具有双模态的忆阻电子突触功能层。该SnSe基忆阻电子突触同时实现了电阻渐变的长期忆阻行为（模式1）和电阻突变的短期忆阻行为（模式2）。通过系列电压扫描和编程脉冲可实现模式1与模式2的切换。研究认为Sn空位的形成与恢复引发了短期忆阻行为，而Ag丝形成/断裂与肖特基势垒调制的共同作用是长期忆阻行为的成因。通过密度泛函理论（DFT）计算进一步阐明了Ag原子和Sn空位在SnSe层中的扩散及丝状结构形成机制。采用PLD法制备的层状硫族化合物忆阻器成功模拟突触功能，表明其在未来神经形态计算机中的应用潜力。
关键词： 神经形态计算、层状二维材料、脉冲激光沉积、SnSe薄膜、忆阻电子突触、人工突触、双模态
更新于2025-09-16 10:30:52
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具有延迟光学反馈的半导体激光器在储层计算中的任务无关计算能力
摘要： 储层计算重新点燃了光子学中的神经形态计算研究。其中最简单的技术实现方案是采用具有延迟光学反馈的半导体激光器。在这种基于延迟的架构中，虚拟节点以特定节点间距在时间维度上分布，形成时分复用网络。通常通过让激光储层计算机执行特定基准任务来评估其信息处理性能。本研究将展示该系统在混沌时间序列预测基准任务中的最优表现，但核心目标是采用与具体任务无关的方式分析储层性能——通过计算表征系统可处理独立运算总量的"计算容量"指标来实现。我们重点探究了计算容量与掩模程序参数的关联性，发现计算容量对虚拟节点间距极为敏感，当节点间隔为30皮秒时达到最佳值。此外研究表明，通过精确调控延迟时间与输入数据采样时间之间的失配度，还可进一步提升计算容量。
关键词： 储层计算、神经形态计算、延迟、反馈、半导体激光器
更新于2025-09-12 10:27:22
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[IEEE 2019欧洲激光与光电子学会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与光电子学会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 基于无序肿瘤球体的光学神经网络
摘要： 光学神经形态计算以光速处理信息，但需要对深层结构进行精细设计与制造，这极大阻碍了大规模光子学习机器的发展[1,2]。储层计算等新范式[3]表明，无序材料和生物材料等类脑复杂系统可能实现仅需在输入端和输出端训练的数千计算节点人工神经网络。本研究采用真实脑细胞构建生物启发式光神经网络，可提取成像方法无法获取的癌症形态动力学与化疗信息[4]。具体而言，我们将胶质母细胞瘤肿瘤球体作为三维深度计算储层——其中数千个细胞充当输入光束的波混频节点。这类肿瘤模型广泛用于肿瘤学研究，是探究复杂细胞间相互作用及抗癌疗法的理想平台。在我们的混合生物/光子方案中，肿瘤细胞层构成光神经网络的衍射深层结构[图1(a)]。通过利用无序结构中的结构化光传播[5]，我们证明该随机神经网络是能在透射平面执行编程功能的通用光学插值器。通过对肿瘤脑细胞施加热刺激或化学刺激，我们调控活体储层的内部权重及其功能。训练完成后，该活体光神经网络的响应能追踪亚细胞级癌症形态动力学变化——这是更具侵入性的光学成像技术所无法检测的。图1(b)展示了红外泵浦激光致热引发的形态动力学传感。此外，我们追踪了肿瘤模型中超越简单无约束生长的细胞过程；图1(c)显示网络输出可量化化疗抑制肿瘤生长的效果。该方案实现了至少比常规成像灵敏度高一个数量级的无创智能细胞毒性检测探针。这种随机混合光子/活体系统是用于肿瘤动力学实时计算与研究的全新人工机器。
关键词： 光学神经网络、癌症形态动力学、无序肿瘤球体、储层计算、神经形态计算、化疗
更新于2025-09-11 14:15:04
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BaTiO?隧道结中的非对称电阻开关动力学
摘要： 在铁电BaTiO3隧道结中详细研究了与极化反转相关的电阻开关效应，重点关注铁电畴切换的动力学过程。观测发现高阻态（HRS）与低阻态（LRS）之间的转换具有显著不对称性：从LRS到HRS的转变过程较为平缓，而从HRS到LRS的转换则通过雪崩式过程进行。研究表明这种独特行为与结区中存在的印记场有关，并对结区性能产生重要影响。
关键词： 铁电隧道结、铁电动力学、神经形态计算、钛酸钡薄膜、忆阻器
更新于2025-09-09 09:28:46
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基于Ag/TiO? NPs/TiO? TF/Si的非易失性忆阻器器件用于神经形态计算应用
摘要： 忆阻器器件是近年来极具前景的新兴元件，有望推动存储与计算应用的革命性变革。该技术可促进人工智能领域发展，帮助自闭症谱系障碍患者，并在神经形态计算、神经网络等方面发挥作用。本研究论文提出了一种用于神经形态计算应用的非易失性忆阻器器件。所展示的存储器基于Ag/TiO2纳米颗粒/TiO2薄膜/Si层结构，具有更优的导电性和存储容量，相比传统器件能提升神经形态计算性能。通过精密技术验证了多层忆阻器的制备方法，成功克服了既往挑战。采用场发射枪扫描电子显微镜(FEGSEM)和能量色散X射线系统分析器件表面形貌。在开/关白光照射下测得上升时间(Tr)为2.5秒，下降时间(Tf)为3秒。X射线衍射表明二氧化钛纳米颗粒(TiO2 NPs)呈晶态特性。光致发光与拉曼分析进一步证实其晶态本质，并显示TiO2 NPs加热效应会提升氧空位浓度。电学分析揭示了SET/RESET过程中不同扫描电压下的驱动机制，最终形成低电阻态("开"态)。最后，该存储器的电容-电压特性显示出优异的动态工作范围内的电荷存储能力。
关键词： 二氧化钛纳米颗粒（TiO2 NPs）、忆阻器器件、神经形态计算、二氧化钛薄膜（TiO2 TF）
更新于2025-09-09 09:28:46
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用于神经形态计算的MoS2器件中的离子调制与离子耦合效应
摘要： 离子-电子耦合效应为器件与电路开发带来了引人入胜的机遇。特别是二硫化钼等层状二维材料具有高度各向异性的离子传输特性，能实现可控的离子迁移及器件间高效离子耦合。本研究通过电场调控锂离子迁移，实现了与局部2H-1T′相变一致的二硫化钼薄膜可逆调制——局部锂离子浓度的增减会引发2H（半导体）相与1T′（金属）相之间的转变。所得器件展现出优异的忆阻特性，并能通过局部离子交换直接相互耦合，自然呈现出生物学中观察到的突触竞争与突触协同效应。这些成果证明了通过场驱动离子过程直接调控二维材料的潜力，未来有望基于离子-电子耦合效应开发新型电子/能源器件，并实现人工神经网络的类生物体应用。
关键词： 2H–1T′相变、离子调制、二硫化钼器件、突触协同、神经形态计算、离子耦合、突触竞争、忆阻行为
更新于2025-09-09 09:28:46
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[IEEE 2018年第14届国际固态与集成电路技术会议（ICSICT）- 中国青岛（2018.10.31-2018.11.3）] 2018年第14届IEEE国际固态与集成电路技术会议（ICSICT）- 作为神经形态计算人工突触的非丝状Pd/Al?O?/TaO?/Ta忆阻器
摘要： 我们报道了一种完全兼容CMOS工艺的双层免形成、非丝状忆阻器件，该器件具有优异的双向模拟开关特性，可作为神经形态计算应用中的人工突触。该双层堆叠结构由通过氧化工艺在钽底电极上形成的8纳米TaOx层和通过原子层沉积(ALD)制备的7纳米Al2O3层组成，夹在钽底电极与钯顶电极之间。Pd/Al2O3/TaOx/Ta器件展现出双向模拟电阻开关行为，并可获得具有满意保持时间的多级电导态(>60个)。基于本器件已证实包含长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)的长时程可塑性。通过优化训练方案（采用非对称训练脉冲）获得了近乎线性的电导变化特性。采用双层感知器神经网络评估了本器件的突触特性，在MNIST手写数字数据集上实现了超过94%的识别准确率。基于这些结果，该器件是生物突触的理想仿生器件，在神经形态系统中具有重要应用潜力。
关键词： 忆阻器、神经形态计算、模拟开关、人工突触、与CMOS兼容
更新于2025-09-09 09:28:46