基于离子型忆阻器的神经形态系统:从材料、器件到芯片

现有的“冯·诺依曼”体系因其计算与存储分离的特点难以满足人工智能、物联网等新技术在能耗和速率方面的发展需求,而存算一体化的类脑计算方案有望突破这一瓶颈.忆阻器是一种新型微电子基础器件,其电阻可通过外界电场调节,而且忆阻器在结构与功能上接近于生物大脑中的突触和神经元,利用其构建的忆阻神经网络具有小尺寸、高速和低能耗等优良特性,有助于实现更接近生物大脑的人工智能.本文对忆阻器领域近年来的研究进展进行了全面的综述:在材料层面,根据阻变机理介绍了忆阻器的不同类型;在器件层面,结合当前忆阻器的应用背景论述了基于离子型忆阻器的性能要求及优化措施;在系统层面,讨论了离子型忆阻器作为忆阻突触、忆阻神经元的应用,并进一步概述了忆阻神经网络的网络结构、学习算法和硬件实现,最后对基于离子型忆阻器的神经形态芯片所面临的挑战和未来前景进行了总结与展望.     

用正电子湮没研究ZnO陶瓷电阻器

ZnO压敏电阻器是以氧化锌为主体,添加其它少量氧化物制成的非线性电阻器,其伏(特)安(培)特性为非线性,也就是施加在ZnO材料的电压低于击穿电压时其电阻很大,几乎为绝缘体,只流过很小漏电流,当电压超过|V_A|(瞬时过电压)时,其电阻大大地减少,电流大幅度地增加。如图1所示,正常态因ZnO电阻大,电流按A回路走,所以起动了机器,当电压加到ZnO的|V_A|时,即达到瞬时过电压后,此时ZnO的电阻突然变得非常小,几乎等于零,这时电流走B回路,因而起到保护仪表或机器的作用。所以ZnO电阻器是一种瞬时过电压抑压器。 ZnO压敏电阻器的导电机制和组分微观结构等问题在国外虽然研究得十分活跃,但尚未搞清楚;国内在这方面的研究报道得也很少。ZnO陶瓷的非欧姆性质是由在ZnO晶粒之间的高电阻晶界层引起的。     

学习和记忆的突触模型:长时程突触可塑性

人类大脑是由上千亿神经元相互连接而组成一个高度复杂的神经网络,是认知、学习和意识等高级功能的重要基础。神经元之间通过特化的连接结构--“突触”而相互通讯。外界输入触发的神经元活动可特异性地持续改变突触的结构和功能,这种神经活动依赖的突触变化称之为长时程突触可塑性。大量实验证据表明突触可塑性是大脑学习和记忆的分子细胞学机制,了解突触可塑性的机制对阐明中枢神经系统性相关疾病（如老年痴呆症、药物成瘾等）的机理具有重要意义。本文简要地小结了长时程突触可塑性研究中的基本发现和新近进展。     

敲开大脑之门——2000年诺贝尔医学奖

在世纪之交,诺贝尔医学奖颁发给了3位神经生物学家,以表彰他们发现了慢突触这种大脑神经元间的信号传导形式。 英国生理学家谢林顿早在1897年就首次提出了“突触”的概念:突触即神经元之间的连接点,神经元之间的信息传递,就发生在突触。这个神经生理学史上划时代的发现,荣获了1932年的诺贝尔医学奖。 20世纪50年代末生理学家们发现,突触前神经元释放谷氨酸等神经递质,与突触后神经元膜上的     

大鼠脑中存在β-蝮蛇神经毒素的结合位点

由于神经细胞质膜上的多种离子通道和受体是神经毒素的天然靶物质,所以神经毒素在这些膜蛋白的生理功能及结构性质研究中已成为十分有用的工具.从各种蛇毒分离的神经毒素分为在突触后选择地阻遏神经肌肉接头传递的α型毒素以及突触前抑制递质释放的β型毒素两类.α-银环蛇神经毒素作为一种突触后毒素在nACh受体的发现、鉴定、分离及结构功能研究中所起的关键性作用是众所周知的,但与此形成对照的是,突触前过程及有关通道、受体的研究鉴定工作却进展有限.缺乏合适的探针是造成这种状况的原因之一.     

基于平面晶体管型器件的突触可塑性模拟

在数据信息膨胀的大背景下,传统的冯诺依曼体系结构的计算机早已无法满足灵活处理和存储大量信息的需求.与之相比,大脑高度并行的非线性信息处理能力展现出了明显的优势.突触是大脑神经元之间信息交换的连接渠道,突触可塑性是生物学习和记忆的分子基础,为了模拟大脑,必须研究出具有生物突触功能的物理器件,从而实现能够在功能上模拟类脑行为的神经形态电路.研究表明,对于场效应晶体管,把具有可调忆阻特性的场效应晶体管的传导沟道和栅极作为信号传输和调节模块,可以分别对应于生物突触中的离子传导和神经递质释放的过程;对于电子型晶体管,可以利用电操作模式中的OFF(ON)状态的弛豫倾向来模拟生物兴奋(抑制)过程,因而在晶体管中可以实现对突触功能的模拟.本文总结了近年来研究人员用平面晶体管结构的突触器件模拟的突触可塑性功能,包括:短时程突触可塑性(包含双脉冲易化和双脉冲抑制,动态过滤(高通滤波/低通滤波),处理时空关联的脉冲,适应等)、长时程突触可塑性、短时程向长时程的转变、放电时间依赖可塑性、分流抑制等,详细说明了这些功能的特点及模拟方法并对其未来发展进行了展望.     

Ag/BaTiO3复合材料的非线性V-I特性

金属粒子分散相与某些介质材料基体形成的复合材料具有独特的光学、电学等性质.但目前的研究主要集中在光学性质方面,而对这类材料的电学性质研究得很少.氧化锌压敏电阻器的微观结构为半导化的ZnO晶粒被一层很薄的绝缘相所包围,该绝缘相所形成的高阻晶界具有隧道效应,从而使材料具有抑制电压和吸收浪涌电流的功能,由于半导体ZnO晶粒仍具有一定电阻值,所以在一些大电流场合,其伏安特性的电压值随电     

化学气相沉积法制备h-BN

六方氮化硼是一种与石墨烯结构类似的二维层状宽带隙绝缘材料,具有各种优异的物理性质.例如,它具有优异的力学性质和化学、热稳定性,在非线性光学领域、紫外激光器以及保护层材料方面具有潜在的应用.另外,由于其表面具有原子级平整,不存在悬挂键和陷阱电荷,使其成为石墨烯电学器件的一种优异的介电材料.它还可与其他二维材料组成平面/垂直结构的异质结,展现出各种新奇的性能和在电子器件方面的潜在应用.如何可控制备大面积、高质量的六方氮化硼是目前研究的核心科学问题.本文主要综述了通过化学气相沉积法制备六方氮化硼的一系列工作,其中包括最新的研究进展,对反应前驱体和基底的选择做了详细的介绍和讨论,并展望了该领域的发展前景.     

兴奋性突触活动通过内源大麻受体调节抑制性突触传递

<正>大脑功能的正常行使是建立在其神经环路电活动稳态基础上的.当环路电活动受到扰动时,神经环路其他组件,包括突触信息传递、神经元兴奋性和形态结构等也相应地发生改变,从而重建新稳态或恢复正常活动水平.这种环路活动自我调节机制称之     

用于信息存储、逻辑运算和大脑神经功能模拟的忆阻型离子器件

在电场作用下阳离子或阴离子的传输导致离子导体电阻态的变化,是离子导体的一般性阻变机理.与现有的半导体器件相比,忆阻型离子器件有显著优点:离子器件作为存储器时其信息存储密度高、能耗低、擦写时间只需几纳秒;离子器件还可用于逻辑运算,这样未来的计算机将不受冯·诺依曼瓶颈的限制,信息的存储与处理将均可由离子器件完成.尤为重要的是,用离子器件构建的人工神经网络能够实现类似大脑的学习、记忆和遗忘等功能,美国国防高级研究计划署的SyNAPSE项目有望于2016年制造出与猫智力相当的人工大脑,该人工大脑的能耗约为1 kW,体积小于2 L,这将是人工智能领域的一场革命.纳米离子器件将在下一个信息时代发挥重要作用.     

电化学制备铁磁金属纳米点接触的磁电阻

运用机械抛光技术在单面敷铜板表面制备了由两根宏观金属铜薄膜电极组成的"T"形结构微米间隙,在"T"形结构微米间隙之间运用电阻负反馈控制电化学过程的方法制备了铜电极纳米间隙,在纳米间隙之间,同样运用电阻负反馈控制电化学过程的方法制备了不同大小接触面积的具有极小磁致伸缩效应特性的Ni80Fe20铁磁金属纳米点接触.测量和比较了不同接触面积的Ni80Fe20纳米点接触的磁电阻,结果表明Ni80Fe20纳米点接触的磁电阻与接触面积之间没有必然关系;在铜电极纳米间隙之间制备的Ni80Fe20纳米点接触可以减少在测量磁电阻时磁致伸缩效应对所测量的磁电阻效应的影响,而它的磁电阻大小与具有明显磁致伸缩效应的Ni纳米点接触的磁电阻大小相近,实验结果一定程度上说明了铁磁金属纳米点接触的弹道磁电阻效应与磁致伸缩效应的关系极小,但由于运用各种方法制备的铁磁金属纳米点接触在本质上都属于两个各向异性微观界面之间的机械点接触行为,所以并不能排除在测量磁电阻时随外加磁场变化而变化的两个点接触界面之间相互作用力引起的电阻变化对所测量的弹道磁电阻效应的影响.     

取消进口配额之痛

数码相机成像过程CMOS传感器周围的电子器件,如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等,可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器,每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管,以及一个放大器,覆盖在整个传感器上的是金属互连器(计时应用和读取信号)以及纵向排列的输出信号互连器,它可以通过简单的X-Y寻址技术读取信号。     

通道的营养控制

突触是神经细胞间的连接部位.现在知道,它们之间的联系不只是传递电信号.实验证明,在蛙交感神经节内,突触后离子通道的动力特性受到突触前传入信息性质的影响.突触化学传递的先决条件是突触后膜上有高密度的受体蛋白.神经递质与受体结合后最终可引起突触后细胞的电位反应.在突触的形成中,突触后受体的聚集似乎是由突触前神经元诱导的.在神经肌接头——一种特殊型式的突触,受体     

重掺碳砷化镓的光致发光研究

异质结双极晶体管(HBT)利用宽禁带材料作发射区来允许基区重掺杂以减小基区电阻且不降低直流电流增益.基区重掺杂会干扰半导体的能带结构,从而影响器件的光学性质和电学性能.Klausmeier-Brown等通过电学测量已证实:由于基区重掺杂使得注入到AlGaAs/GaAs-HBT基区的电子电流显著增大,其原因归结为由重掺杂引起的禁带变窄使得n_0p_0乘积     

记忆电阻器与人工智能

多头绒泡菌，一种黏乎乎的粘菌类的奇妙行为与人类智力之间究竟存在着什么样的联系？而忆阻器的研究一开始就是一个纯逻辑问题的胜利— 一种以往人们不知其存在的电子元件将为我们揭开这个秘密。     

钙钛矿氧化物La0.9Sr0.1MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3巨磁电阻p-n结

用激光分子束外延成功地制备出钙钛矿氧化物La0.9Sr0.1MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3 p-n结, 首次观测到钙钛矿结构氧化物p-n结电流的磁调制和巨磁电阻效应. 其巨磁电阻特性与掺杂的镧锰氧化物是非常不同的, 当温度为300, 200和150 K时, p-n结具有正磁电阻特性; 当温度为100 K时, 在低磁场条件下, p-n结呈现正磁电阻特性, 随着磁场强度的增加, p-n结变为负磁电阻特性. p-n结的磁电阻变化率?R/R0(?R = RH ?R0, R0是外磁场为0时p-n结的电阻, RH是外磁场强度为H时p-n结的电阻) 在300 K条件下, 当磁场强度为0.1和5 T时, 达到8%和13%; 在200 K条件下, 当磁场强度为5 T时, 达到41%; 在150 K条件下, 当磁场强度为1 T时, 达到40%; 在100 K条件下, 当磁场强度为0.13和5 T时, 达到10%和-60%.     

突触结合蛋白Ⅰ的C2A结构域的两种膜结合状态及Ca2+引发的插膜

突触结合蛋白(synaptotagmin)Ⅰ是神经细胞突触囊泡上的一个膜整合蛋白, C2A是它的具有重要功能的近膜胞质片段. 近年来的研究表明, 突触结合蛋白Ⅰ在Ca2+引发的神经递质快速释放过程中起到Ca2+感受器的作用, 而C2A结构域与神经细胞的突触前膜的相互作用与其 Ca2+感受器的功能密切相关, 但是其作用机制还不清楚. 利用气/液单层膜技术结合表面密度的测量, 发现C2A存在两种膜结合状态: 无 Ca2+时, 以静电作用力为主的表面吸附状态; 有 Ca2+时, 静电力起部分作用的插膜状态. 两种状态时C2A都倾向于与带负电荷, 如磷脂酰丝氨酸的磷脂膜结合. 将C2A转染表达在PC12和HEK-293细胞中, 利用免疫染色和Western blot检测也表明, C2A在有无Ca2+存在的情况下都主要存在于膜附近. 实验结果提示, 突触结合蛋白Ⅰ作为Ca2+感受器的可能分子机制: 突触结合蛋白Ⅰ的C2A的表面吸附功能在囊泡锚定或活化时协助囊泡附着在活化区, 当细胞内Ca2+浓度迅速增加, C2A Ca2+依赖的插入负电荷膜的特点可以将囊泡拉近突触前膜, 加之同时和其他蛋白, 如SNARE复合物的作用引发膜的融合.     

大鼠外膝体神经元内抑制性突触后电位和兴奋性突触后电位的相互作用

已知猫外膝体具有两种抑制性神经元回路:前馈抑制回路和返回(反馈)抑制回路。脑薄片实验的结果表明,大鼠外膝体也存在前馈抑制回路。通过它产生的抑制性突触后电位     

碳纳米管液相分离方法及其在电子器件领域的应用

独特的结构赋予了单壁碳纳米管(SWNTs)优异的电学特性,使其在纳电子器件和柔性器件领域具有广阔的应用前景.现有的合成方法尚无法实现单一导电特性的SWNTs的宏量制备,制约了其在电子器件领域的应用.为了获得单一导电性质的SWNTs,发展了多种分离方法,其中液相分离方法具有宏量分离的能力和实用化的潜力,主要包括电泳法、密度梯度离心法、管壁修饰法、凝胶色谱法和萃取法等.本文从SWNTs的结构出发,阐述各种液相分离方法的原理及适用范围,介绍高纯半导体性碳纳米管在电子器件领域的应用,并对液相分离SWNTs的发展前景及挑战进行了展望.     

基于铁磁金属薄膜纳米点连接的磁电阻现象

比较了运用电子束光刻技术和真空薄膜沉积技术制备的宽度和厚度分别为20~250nm和10nm的系列铁磁金属薄膜纳米点连接在不同温度下的磁电阻现象和I-V特性,得出了铁磁金属薄膜纳米点连接的磁电阻和电阻与它的中间部位纳米局部区域的宽度之间没有必然关系,说明铁磁金属薄膜纳米点连接的中间部位纳米局部区域的电阻与它两端的两个微米尺度的铁磁金属薄膜电极的电阻相比不起绝对决定作用,也就是说,我们所测得的铁磁金属薄膜纳米点连接的电阻主要来自于它的两个微米尺度的铁磁金属薄膜电极.比较了铁磁金属薄膜纳米点连接和在同样真空薄膜沉积条件下制备的同样厚度的0.2cm×0.8cm的铁磁金属薄膜的磁电阻之间的关系,发现与薄膜相比,纳米点连接样品的磁电阻比例普遍得到较大的提高,也就是说我们所测量的铁磁金属薄膜纳米点连接的磁电阻主要来自于纳米点连接样品的中间部位纳米局部区域.可以得出在铁磁金属薄膜纳米点连接中,由于具有很高磁电阻比例的中间部位纳米局部区域的电阻与具有很低磁电阻比例的微米尺度的铁磁金属薄膜电极的电阻相比很小,所以整个铁磁金属薄膜纳米点连接的电子输运行为由样品的微米尺度的铁磁金属薄膜电极的电子输运行为决定,表现为它所呈现的是线性的...