2024年11月5日，《Advanced Functional Materials》在线刊发了我院孙华军/缪向水教授团队高逼真模拟神经突触传递信息动力学过程的神经形态器件最新研究成果“Bio-Realistic Synaptic-Replicated “V” Type Oxygen Vacancy Memristor”，博士生邹岚清为第一作者。神经形态器件旨在模仿生物大脑的处理方式以实现更高效的计算。现有的神经形态器件与真实的生物突触相比，在物理结构和性能上存在显著差异。生物突触具有极高的能效比，高效的信息传递和处理。目前的人工突触器件通常为简化模型，无法完全复制这种复杂性。而目前的人工器件往往需要更多的能量来驱动，并且可能面临稳定性、耐久性和可重复性的问题。

在生物学中，Ca²⁺信号作为神经活动的一个指标，在神经元定向生长、突触可塑性、学习和记忆中起着重要作用。当突触前膜去极化到一定水平，突触前膜上的电压门控Ca²⁺通道会为Ca²⁺内流打开，因此，神经递质被释放，与突触后膜上的受体接触，促进信息传递。在这种情况下，神经递质的释放与进入突触前膜的Ca²⁺数量呈正相关。基于此，从生物突触传递信息过程出发，集成电路学院孙华军、缪向水团队通过简单的制备工艺，设计了具有“V”型V_o分布的多层HfO_x忆阻器。该器件不仅高逼真的模拟了突触结构，而且实现了对生物Ca²⁺通路的调控，实现神经递质的生物逼真模拟。具体的，通过调整施加在器件上的电压或限制电流改变电阻值，从而调节Ca²⁺通道的开关程度，实现不同程度的通道开闭和信息传输。此外，使用Ca²⁺通道的数学模型拟合了器件的电学特性，揭示了器件能够有效模拟Ca²⁺通道的开闭过程，形成的“沙漏”型导电细丝通路，实现了导电细丝通断位置的定型和定位。V型功能层中近化学计量比HfO_x中间层的门控效应和节流效应提高阻值变化的多值性、连续性和一致性。该器件具有超低擦除功耗（fJ）、好的低电阻值一致性（1.8%），并且也实现了对生物免疫过程的模拟。该研究题为“Bio-realistic synaptic-replicated "V" type oxygen vacancy memristor”，发表在《Advanced Functional Materials》上。

CMOS兼容的HfO_x高k介质的氧空位缺陷可调控性强，通过调控镀膜过程中的氧氩比，得出HfO_x薄膜中氧浓度随着氩氧比的增加呈现先增大后减小的趋势。基于此，在功能层的制备中，对氧浓度进行调控，使薄膜中氧浓度先增大后减小。如图1所示，对于制备好的器件，通过XPS和TEM对器件功能层的分析可以验证制备的多层HfO_x忆阻器实现了氧空位沙漏型分布，即薄膜中氧空位数对称的先减小后增大，在施加电压时，器件的导电细丝通路会在中间薄弱层实现断裂和复合。对器件进行循环测试，器件实现了好的高低阻值循环特性，特别是器件低阻的差异系数仅为1.8%，随机选取多个器件单元进行测试，器件可以实现稳定的阻值循环一致性。

图1 器件结构图、XPS及TEM证明氧空位“V”型分布图和器件性能图

在容易受到刺激的细胞中，如神经元、肌肉和神经胶质细胞，电压门控Ca²⁺通道的打开和关闭是由膜电位调节的。当细胞处于静息电位时，通道保持关闭。然而，当膜去极化时，通道打开，允许Ca²⁺进入细胞。电压门控Ca²⁺通道的激活电压受多种因素的影响，包括细胞膜电压的变化和细胞内外离子浓度的变化。Ca²⁺通道的激活电压可以通过细胞内外Ca²⁺浓度的变化来控制。例如，较高的细胞内Ca²⁺浓度可以促进通道激活。这说明离子通道是调节离子渗透性的通道。基于这种理解，使用电压控制Ca²⁺通道的数学模型，如式（1）所示。

对于器件，我们可以通过调节电压或I_cc来调节电阻值，从而调节Ca²⁺通道的开关程度，促进不同程度的通道打开和关闭，从而实现不同程度的信息传输，实现对生物突触细胞膜的电压波动或细胞内外的Ca²⁺浓度的模拟。并且使用Ca²⁺通道的数学模型来拟合该器件的电学特性，揭示该器件有效地模拟Ca²⁺通道的打开和关闭过程，实现量化可控的“沙漏”型的导电细丝通路。

图2 器件实现电压门控Ca²⁺通道的打开和关闭图和器件性能表现图

神经元的突触可塑性通常被认为是大脑学习和记忆的分子和细胞机制。当这种变化只持续几十毫秒到几分钟时，它被称为短时记忆。当这种变化持续几分钟甚至终身时，它被称为长时记忆。器件可以实现对短时记忆和长时记忆的模拟。由于器件沙漏型导电细丝通路的分布，当施加小脉冲刺激时，电阻值发生变化，会形成弱的导电细丝通路，一旦消除电压刺激，中间层的氧空位容易扩散，导致导电细丝通路的断裂，实现短时程可塑性。当对器件施加连续或者强的脉冲刺激时，会形成强的导电细丝通路，在撤去电压刺激之后，阻值维持稳定，即实现了长时程可塑性。如图3所示，器件实现了脉冲幅值依赖可塑性（spike-voltage- dependent Plasticity, SVDP）、双脉冲易化（paired-pulse facilitation, PPF）、脉冲时间依赖可塑性（spike-timing-dependent plasticity, STDP）等的生物突触功能。

图3 器件实现短时可塑性和长时可塑性图

器件可以通过兴奋性和抑制性刺激来模拟生物免疫功能。免疫细胞具有记忆和识别先前遇到的病原体的能力，一旦超过特定阈值，淋巴细胞被激活并产生必要的抗体来中和抗原。如图4所示，我们分别在1 MHz， 2 MHz和2.5 MHz频率下施加50个脉冲。可以观察到，随着频率的增加，器件的响应速度也随之增加。当施加1 MHz和2 MHz的脉冲时，当脉冲累积到一定数量时，器件才会响应，这表明当外部病毒达到足以引起免疫系统注意的数量时，即达到淋巴细胞激活的阈值，才可以引起免疫反应。另一方面，当施加2.5 MHz的脉冲时，器件会立即响应，这表明不同病毒的感染能力不同，频率越高表明感染能力越强，从而更快地达到淋巴细胞激活阈值并触发免疫反应。基于此，器件也实现了对生物第一次免疫和二次免疫的模拟。

图4 器件实现免疫功能图

总结：作者制备了一种具有“V”型氧空位分布的多层HfO_x忆阻器，可以准确地复制生物系统中的突触结构，神经递质动力学和信息传递的过程，器件能够模拟门控Ca²⁺通道的功能实现不同程度的信息传递。并且建立了Ca²⁺通道的数学模型用来验证其性能，证明该忆阻器件以类似于生物突触的方式工作。此外，它成功地模拟了生物突触在短时程可塑性和长时程可塑性时Ca²⁺的动力学，展示了一系列突触行为，这种忆阻器具有模拟生物免疫反应的潜力，性能上器件具有低的功耗和好的一致性，该忆阻器为基于突触装置的人工神经系统开发提供了新的思路。

文章链接Bio-Realistic Synaptic-Replicated “V” Type Oxygen Vacancy Memristor https://doi.org/10.1002/adfm.202416325

相关阶段性研究成果“受突触神经递质通道启发的高性能忆阻器于2024年年5月6日发表于《Small Methods》。论文题目：“Synapse Neurotransmitter Channel-Inspired AlOx Memristor with “V” Type Oxygen Vacancy Distribution”，期刊影响因子12.4，论文链接https://doi.org/10.1002/smtd.202301657 。