2024年11月5日，《Advanced Functional Materials》在線刊發了我院孫華軍/缪向水教授團隊高逼真模拟神經突觸傳遞信息動力學過程的神經形态器件最新研究成果“Bio-Realistic Synaptic-Replicated “V” Type Oxygen Vacancy Memristor”，博士生鄒岚清為第一作者。神經形态器件旨在模仿生物大腦的處理方式以實現更高效的計算。現有的神經形态器件與真實的生物突觸相比，在物理結構和性能上存在顯著差異。生物突觸具有極高的能效比，高效的信息傳遞和處理。目前的人工突觸器件通常為簡化模型，無法完全複制這種複雜性。而目前的人工器件往往需要更多的能量來驅動，并且可能面臨穩定性、耐久性和可重複性的問題。

在生物學中，Ca²⁺信号作為神經活動的一個指标，在神經元定向生長、突觸可塑性、學習和記憶中起着重要作用。當突觸前膜去極化到一定水平，突觸前膜上的電壓門控Ca²⁺通道會為Ca²⁺内流打開，因此，神經遞質被釋放，與突觸後膜上的受體接觸，促進信息傳遞。在這種情況下，神經遞質的釋放與進入突觸前膜的Ca²⁺數量呈正相關。基于此，從生物突觸傳遞信息過程出發，6774澳门永利孫華軍、缪向水團隊通過簡單的制備工藝，設計了具有“V”型V_o分布的多層HfO_x憶阻器。該器件不僅高逼真的模拟了突觸結構，而且實現了對生物Ca²⁺通路的調控，實現神經遞質的生物逼真模拟。具體的，通過調整施加在器件上的電壓或限制電流改變電阻值，從而調節Ca²⁺通道的開關程度，實現不同程度的通道開閉和信息傳輸。此外，使用Ca²⁺通道的數學模型拟合了器件的電學特性，揭示了器件能夠有效模拟Ca²⁺通道的開閉過程，形成的“沙漏”型導電細絲通路，實現了導電細絲通斷位置的定型和定位。V型功能層中近化學計量比HfO_x中間層的門控效應和節流效應提高阻值變化的多值性、連續性和一緻性。該器件具有超低擦除功耗（fJ）、好的低電阻值一緻性（1.8%），并且也實現了對生物免疫過程的模拟。該研究題為“Bio-realistic synaptic-replicated "V" type oxygen vacancy memristor”，發表在《Advanced Functional Materials》上。

CMOS兼容的HfO_x高k介質的氧空位缺陷可調控性強，通過調控鍍膜過程中的氧氩比，得出HfO_x薄膜中氧濃度随着氩氧比的增加呈現先增大後減小的趨勢。基于此，在功能層的制備中，對氧濃度進行調控，使薄膜中氧濃度先增大後減小。如圖1所示，對于制備好的器件，通過XPS和TEM對器件功能層的分析可以驗證制備的多層HfO_x憶阻器實現了氧空位沙漏型分布，即薄膜中氧空位數對稱的先減小後增大，在施加電壓時，器件的導電細絲通路會在中間薄弱層實現斷裂和複合。對器件進行循環測試，器件實現了好的高低阻值循環特性，特别是器件低阻的差異系數僅為1.8%，随機選取多個器件單元進行測試，器件可以實現穩定的阻值循環一緻性。

圖1 器件結構圖、XPS及TEM證明氧空位“V”型分布圖和器件性能圖

在容易受到刺激的細胞中，如神經元、肌肉和神經膠質細胞，電壓門控Ca²⁺通道的打開和關閉是由膜電位調節的。當細胞處于靜息電位時，通道保持關閉。然而，當膜去極化時，通道打開，允許Ca²⁺進入細胞。電壓門控Ca²⁺通道的激活電壓受多種因素的影響，包括細胞膜電壓的變化和細胞内外離子濃度的變化。Ca²⁺通道的激活電壓可以通過細胞内外Ca²⁺濃度的變化來控制。例如，較高的細胞内Ca²⁺濃度可以促進通道激活。這說明離子通道是調節離子滲透性的通道。基于這種理解，使用電壓控制Ca²⁺通道的數學模型，如式（1）所示。

對于器件，我們可以通過調節電壓或I_cc來調節電阻值，從而調節Ca²⁺通道的開關程度，促進不同程度的通道打開和關閉，從而實現不同程度的信息傳輸，實現對生物突觸細胞膜的電壓波動或細胞内外的Ca²⁺濃度的模拟。并且使用Ca²⁺通道的數學模型來拟合該器件的電學特性，揭示該器件有效地模拟Ca²⁺通道的打開和關閉過程，實現量化可控的“沙漏”型的導電細絲通路。

圖2 器件實現電壓門控Ca²⁺通道的打開和關閉圖和器件性能表現圖

神經元的突觸可塑性通常被認為是大腦學習和記憶的分子和細胞機制。當這種變化隻持續幾十毫秒到幾分鐘時，它被稱為短時記憶。當這種變化持續幾分鐘甚至終身時，它被稱為長時記憶。器件可以實現對短時記憶和長時記憶的模拟。由于器件沙漏型導電細絲通路的分布，當施加小脈沖刺激時，電阻值發生變化，會形成弱的導電細絲通路，一旦消除電壓刺激，中間層的氧空位容易擴散，導緻導電細絲通路的斷裂，實現短時程可塑性。當對器件施加連續或者強的脈沖刺激時，會形成強的導電細絲通路，在撤去電壓刺激之後，阻值維持穩定，即實現了長時程可塑性。如圖3所示，器件實現了脈沖幅值依賴可塑性（spike-voltage- dependent Plasticity, SVDP）、雙脈沖易化（paired-pulse facilitation, PPF）、脈沖時間依賴可塑性（spike-timing-dependent plasticity, STDP）等的生物突觸功能。

圖3 器件實現短時可塑性和長時可塑性圖

器件可以通過興奮性和抑制性刺激來模拟生物免疫功能。免疫細胞具有記憶和識别先前遇到的病原體的能力，一旦超過特定阈值，淋巴細胞被激活并産生必要的抗體來中和抗原。如圖4所示，我們分别在1 MHz， 2 MHz和2.5 MHz頻率下施加50個脈沖。可以觀察到，随着頻率的增加，器件的響應速度也随之增加。當施加1 MHz和2 MHz的脈沖時，當脈沖累積到一定數量時，器件才會響應，這表明當外部病毒達到足以引起免疫系統注意的數量時，即達到淋巴細胞激活的阈值，才可以引起免疫反應。另一方面，當施加2.5 MHz的脈沖時，器件會立即響應，這表明不同病毒的感染能力不同，頻率越高表明感染能力越強，從而更快地達到淋巴細胞激活阈值并觸發免疫反應。基于此，器件也實現了對生物第一次免疫和二次免疫的模拟。

圖4 器件實現免疫功能圖

總結：作者制備了一種具有“V”型氧空位分布的多層HfO_x憶阻器，可以準确地複制生物系統中的突觸結構，神經遞質動力學和信息傳遞的過程，器件能夠模拟門控Ca²⁺通道的功能實現不同程度的信息傳遞。并且建立了Ca²⁺通道的數學模型用來驗證其性能，證明該憶阻器件以類似于生物突觸的方式工作。此外，它成功地模拟了生物突觸在短時程可塑性和長時程可塑性時Ca²⁺的動力學，展示了一系列突觸行為，這種憶阻器具有模拟生物免疫反應的潛力，性能上器件具有低的功耗和好的一緻性，該憶阻器為基于突觸裝置的人工神經系統開發提供了新的思路。

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

相關階段性研究成果“受突觸神經遞質通道啟發的高性能憶阻器于2024年年5月6日發表于《Small Methods》。論文題目：“Synapse Neurotransmitter Channel-Inspired AlOx Memristor with “V” Type Oxygen Vacancy Distribution”，期刊影響因子12.4，論文鍊接https://doi.org/10.1002/smtd.202301657 。