[发明专利]一种锰氧化物电磁调控构建多场耦合人工突触的方法

说明书

本发明公开了一种锰氧化物电磁调控构建多场耦合人工突触的方法，包括以下步骤：(1)依次将金属、阻变层和钙钛矿锰氧化物沉积于衬底上，形成模拟突触功能的元器件；(2)金属作底电极，钙钛矿锰氧化物生长的圆柱型阵列作顶电极，或者在钙钛矿锰氧化物薄膜上生长一层金属作顶电极；(3)对元器件施加外场，对钙钛矿锰氧化物薄膜的氧离子的迁移和分布进行调控。该方法利用具有优异电磁特性的忆阻异质结，在电致电阻效应的基础上，对阻变单元阵列加以外场调控，获得多场诱导的多重电阻态，再通过外场调控阻变单元中氧离子的迁移，模拟突触的强度分布和可塑性，构建人工突触。

技术领域

本发明涉及磁性氧化物材料领域，尤其涉及一种锰氧化物电磁调控构建多场耦合人工突触的方法。

背景技术

下面的背景技术用于帮助读者理解本发明，而不能被认为是现有技术。

随着人工智能设备的蓬勃发展，人们对人类大脑模拟技术有着迫切的需求。通过构筑人工神经网络中的算法可以进行训练，以模仿大脑识别语言和图像。类脑神经形态计算具有高能效、并行性、容错性以及自主认知等优点，被视为最有希望突破“冯·诺依曼瓶颈”的颠覆性技术。构建人工神经突触的自主学习功能是发展神经形态计算的关键基础。大脑的每个神经元之间是通过成千上万个神经突触连接在一起的，利用神经元间相连接突触的强度分布表示记忆，通过突触的重新配置(即可塑性)实现学习。人脑突触是一个突触前神经元轴突末梢和另一个突触后神经元树突的连接点。神经元表面分隔膜上的小孔是突触传递信息的离子通道。在外界的刺激下，这一通道利用细胞信号形成Ca²⁺、K⁺等离子的浓度差，借助囊泡完成其在前后突触的传递，诱发神经元中的电活动，进而实现信息的记忆和处理。而基于电致电阻效应的阻变单元阵列以类似的方式进行工作，有望实现人工神经突触的功能。在脉冲电压的作用下，阻变层的电阻可以灵活地发生改变。这种电阻的可调性正如神经细胞的工作方式，当电阻较小的时候，突触连接更强，反之亦然。此外，基于电致电阻效应的阻变单元阵列还具有小尺寸、低功耗、可大规模集成和柔性化等优势。

众所周知，传统的电致电阻效应的异质结，一般只能切换两种电阻状态(高阻态和低阻态)，这不利于电阻的连续调控，限制了模拟突触功能的可塑性。阻变材料的电阻不仅仅受电场的影响，其它外场也可以调控其阻值的大小，如磁场，应力场或者光场等。如果在电致电阻效应的基础上，对阻变单元阵列再加以外场调控，就有望获得多场诱导的多重电阻态。再通过外场调控阻变单元中氧离子的迁移，模拟突触信息传递的Ca₂₊、K₊等离子通道，进而实现信息的记忆和处理。这种外场调控的多重态电阻对实现人工神经突触功能具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锰氧化物电磁调控构建多场耦合人工突触的方法，该方法利用具有优异电磁特性的忆阻异质结，在电致电阻效应的基础上，对阻变单元阵列加以外场调控，获得多场诱导的多重电阻态，再通过外场调控阻变单元中氧离子的迁移，模拟突触的强度分布和可塑性，构建人工突触。

本发明提供一种锰氧化物电磁调控构建多场耦合人工突触的方法，包括以下步骤：

(1)依次将金属、阻变层和钙钛矿锰氧化物沉积于衬底上，形成模拟突触功能的元器件，其中阻变层薄膜和钙钛矿锰氧化物薄膜构成忆阻异质结；

(2)金属作底电极，钙钛矿锰氧化物生长的圆柱型阵列作顶电极，或者在钙钛矿锰氧化物薄膜上生长一层金属作顶电极；

(3)对元器件施加能调控其电阻大小的至少一个且不相同的外场，对钙钛矿锰氧化物薄膜的氧离子的迁移和分布进行调控，从而实现高低电阻态。