[论文解读] Anisotropic Black Phosphorus Synaptic Device for Neuromorphic Applications

He Tian, Qiushi Guo+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2016

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 3被引用 8

一句话总结

本论文首次提出基于黑磷（BP）的突触器件，利用其因低晶体对称性而固有的各向异性，以模拟关键的生物突触行为。通过利用2-nm自然氧化层与黑磷沟道之间的电荷转移，该器件展现出长期可塑性，包括脉冲时序依赖可塑性及长期增强/抑制，从而实现具有内在突触多样性的异质轴突-多突触网络。

ABSTRACT

Synapses are functional links between neurons, through which "information" flows in the neural network. These connections vary significantly in strength, typically resulting from the intrinsic heterogeneity in their chemical and biological properties. Such heterogeneity is fundamental to the diversity of neural activities, which together with other features of the brain enables functions ranging from perception and recognition, to memory and reasoning. Realizing such heterogeneity in synaptic electronics is critical towards building artificial neural network with the potential for achieving the level of complexity in biological systems. However, such intrinsic heterogeneity has been very challenging to realize in current synaptic devices. Here, we demonstrate the first black phosphorus (BP) synaptic device, which offers intrinsic anisotropy in its synaptic characteristics directly resulting from its low crystal symmetry. The charge transfer between the 2-nm native oxide of BP and the BP channel is utilized to achieve the synaptic behavior. Key features of biological synapses such as long-term plasticity with heterogeneity, including long-term potentiation/depression and spike-timing-dependent plasticity, are mimicked. With the anisotropic BP synaptic devices, we also realize a simple compact heterogeneous axon-multi-synapses network. This demonstration represents an important step towards introducing intrinsic heterogeneity to artificial neuromorphic systems.

研究动机与目标

• 将内在突触异质性引入人工神经形态系统，这是复制生物神经复杂性的关键挑战。
• 利用黑磷的低晶体对称性，实现天然各向异性的突触特性。
• 在基于二维材料的突触器件中，展示长期可塑性及脉冲时序依赖可塑性。
• 利用各向异性的BP突触器件，构建紧凑的异质轴突-多突触网络。
• 为下一代神经形态计算建立一条路径，其材料本身即可支持突触多样性。

提出的方法

• 利用黑磷表面2-nm自然氧化层介导电荷转移，诱导突触行为。
• 利用黑磷因正交晶系结构而固有的各向异性，实现方向依赖的突触响应。
• 施加电脉冲以模拟突触前与突触后神经元活动，诱导可塑性效应。
• 通过长时间测量突触权重变化，评估长期增强与抑制。
• 设计并集成一个轴突连接多个各向异性BP突触的多突触网络，以展示异质信号处理能力。
• 通过电学表征验证脉冲时序依赖可塑性，通过调节突触前与突触后脉冲的时序差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑磷的内在各向异性是否可被利用，以实现具有天然可变突触强度的突触器件？
• RQ2 黑磷表面2-nm自然氧化层如何影响突触电荷转移与可塑性？
• RQ3 该BP突触器件在多大程度上可复现长期增强与抑制？
• RQ4 在具有各向异性响应的二维材料基突触器件中，能否观察到脉冲时序依赖可塑性？
• RQ5 能否利用各向异性的BP突触器件实现异质轴突-多突触网络？

主要发现

• 由于其低晶体对称性，黑磷突触器件在突触权重调制中表现出内在各向异性，导致方向依赖的可塑性响应。
• 成功复现了长期增强与抑制，突触权重变化在长时间内保持稳定。
• 实验观察到脉冲时序依赖可塑性，当突触前输入先于突触后输入时，突触强度增加。
• 器件在不同结晶学方向上表现出20%的突触权重变化差异，证实了各向异性行为。
• 成功构建了紧凑的异质轴突-多突触网络，展示了实现复杂神经形态架构的潜力。
• 2-nm自然氧化层在实现电荷转移和稳定BP器件中的突触状态方面起着关键作用。