ZnO/CuO双层忆阻器中的颜色响应逻辑与突触可塑性在类脑视觉中的应用

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Colour-responsive logic and synaptic plasticity in ZnO/CuO bilayer memristors for neuromorphic vision

　　安贾拉·贾亚拉吉|阿比谢克·K|M.K.贾亚拉吉|阿尔德林·安东尼
印度喀拉拉邦科钦市科钦科技大学物理系，邮编682 022

摘要
具有多功能特性的光电子忆阻器可通过电学和光学刺激进行调控，其在内存存储、类脑计算及视觉感知领域展现出巨大潜力，因此越来越受到关注。本研究报道了基于ZnO/CuO异质结的双层忆阻器的制备与特性分析。这些器件采用ITO/ZnO/CuO/Ag结构，通过射频磁控溅射法制备，并在电偏压及光照条件下进行了测试。对比由化学计量比ZnO层与非化学计量比D-ZnO层构成的双层忆阻器，结果表明缺陷丰富的D-ZnO显著降低了器件形成电压。电流-电压特性测试显示，电荷传输受欧姆导电机制以及受缺陷密度和界面质量影响的陷阱控制空间电荷限制电流机制共同支配。这类器件对不同波长光具有敏感性，有望用于颜色检测与识别。研究还利用对不同波长光的不同响应特性，实现了基于双波长输入的逻辑运算。值得注意的是，ITO/D-ZnO/CuO/Ag器件在紫外光照射下能表现出稳定的光诱导突触行为，包括增强效应、成对脉冲促进效应以及时序依赖性可塑性。此外，使用实验获得的增强曲线作为激活函数，在MNIST数据集上训练的神经网络证明了这类器件适用于类脑计算。这些研究结果凸显了ZnO/CuO双层忆阻器作为下一代光电子内存及仿生计算系统候选材料的巨大潜力。

引言
忆阻器作为一种具有简单两端结构、高可扩展性且低功耗的器件，已成为下一代非易失性内存及类脑计算领域的热门候选材料[1,2]。人类视网膜能够检测并识别复杂环境中的各种颜色和图案，这一生物功能启发了人们通过电子和光电子方法开发人工视觉系统[[3], [4], [5]]。人类视觉系统能够区分不同波长的光并将其转换为电信号，但现有的类脑视觉系统中的处理单元和存储单元无法直接响应光学刺激，只能依靠图像传感器阵列将光转换为电信号，再传输到类脑芯片中进行进一步处理。这种架构由于感知组件与处理组件之间存在物理分离，会导致额外的延迟和能耗[6]。基于忆阻器的视觉传感器则通过将感知、存储和处理功能集成在同一器件架构中，避免了上述问题，从而实现了无需独立光电探测器及外部处理单元即可直接处理光信号的功能。这种集成方式更贴近人类视网膜的功能，且在速度、能效及系统紧凑性方面具有显著优势[6]。为构建高效且仿生的人造视觉系统，人们越来越需要基于忆阻器的架构，尤其是那些能够直接处理光学刺激、同时整合感知、存储与计算功能的光电子突触器件。这类集成方案可克服传统类脑视觉系统因依赖独立的传感器和处理单元而存在的效率低下问题[7]。近期研究表明，基于氧空位迁移和导电路径调控的电压控制迁移型忆阻器，具备实现光电子感知及内存内处理功能的能力[8]；而电化学金属化型忆阻器则通过活性金属离子的迁移以及金属细丝的形成与溶解，能够实现类似生物系统的感知与类脑行为[9]。在提升忆阻器性能的各种策略中，双层材料结构因其能够提供可调的开关特性以及更高的器件可靠性，而备受关注，其性能优于单层结构[10]。已有研究报道了一种基于WS2/锌锡氧化物（ZTO）的光电子储池计算系统，该系统将感知、存储与计算功能集成在单个紧凑型器件中，可模拟多种生物功能[11]。近年来，基于过渡金属氧化物如TiO2/HfO2[12]、TiO2/ZnO[13]以及HfOx/AlOy[14]的双层忆阻器在开关均匀性、耐久性及多级电阻状态方面取得了显著提升。这些改进通常归因于带隙匹配度、缺陷密度及介电常数的差异，这些因素会影响电荷传输及导电细丝的行为。不过，交叉阵列配置仍面临诸多挑战，如电性能不稳定、需采用电沉积工艺以及存在暗电流等问题。为克服这些限制，人们研究了多种选择器器件策略，如一晶体管一忆阻器（1T1M）、一二极管一忆阻器（1D1M）以及自整流忆阻器[15,16]。这类可靠且节能的忆阻器架构的诞生，进一步推动了其在类脑计算及内存内计算应用中的实际应用。尤其是基于忆阻器阵列的自编码器和卷积神经网络，在降噪及图像识别任务中展现了巨大潜力，能够在低能耗情况下实现较高的信噪比和识别精度。这些进展加速了在单个器件单元中集成内存内计算及光传感功能的进程[17]。

目前，已有研究利用多种材料平台实现了光电子突触器件，包括二维材料[18]、硫属化合物[19]、有机半导体[20]以及金属氧化物[21,22]。ZnO[23,24]、MoS2[25,26]、WO3[27]及Ga2O3[28]等材料具有强烈的光学响应特性，非常适合用于突触式视觉传感器。尤其值得关注的是，基于ZnO的异质结构在紫外线波段具有出色的灵敏度，我们此前已研制出一种在PET基底上采用ITO电极的透明柔性ZnO基双层忆阻器[24]。随着人们对柔性光电子忆阻器系统兴趣的日益增加，还有研究报道了一种柔性光子ITO/MnOx/Pt忆阻逻辑器件，该器件将非易失性存储功能与可重构逻辑功能集成在同一个平台上。通过利用波长依赖的光电响应特性，该器件成功实现了逻辑门操作，为柔性仿生机器视觉及光子计算应用提供了可能[29]。

ZnO/CuO双层忆阻器因其优异的材料特性以及与可规模化制造技术的兼容性，成为一种极具吸引力的替代方案。ZnO是一种宽带隙（约3.3电子伏特）的n型半导体，具有较高的载流子迁移率以及由氧空位驱动的导电性[30]；而CuO则是一种窄带隙且内在缺陷丰富的p型半导体，能够实现电荷捕获及氧化还原反应[31]。ZnO/CuO界面处形成的p-n异质结会产生内建电场，有助于控制导电细丝的生长并提升开关性能。与TiO2/HfO2等传统双层结构相比，CuO/ZnO器件具有更简单的制造工艺（如射频溅射或溶胶-凝胶法），并且在紫外光照射下具备光电子可调性[18,32]。CuO的氧化还原活性与ZnO的氧空位动态之间的协同作用，使得这两种材料既支持细丝型开关机制，也支持界面型开关机制，因此这类器件非常适合用于在类脑计算应用中模拟生物突触功能[32]。此外，它们具有可调的带隙、对可见光的响应能力，以及与透明柔性基底的兼容性，这些特性使其成为下一代光电子系统的理想选择。

除了电学刺激之外[33]，忆阻器中的突触权重还可以通过光学[34]及磁性[35,36]信号进行调控。虽然现代光电探测器能够实现实时图像捕捉，但与生物视觉系统的能效相比，它们在后续处理步骤中往往存在较高的能耗问题[37,38]。尽管电学调控突触权重的方法已经较为成熟，但其带宽、连接密度及互连性等方面往往存在局限[39,40]。相比之下，光学调控突触具有诸多优势，包括更高的计算速度、更宽的带宽、更低的能耗、固有的并行处理能力以及更好的可扩展性。此外，它还能有效减少串扰及互连复杂性带来的问题[41,42]。在现实环境中，视觉系统会接收到多光谱刺激，因此能够响应多波长的光电子忆阻器对于提高图像识别精度[43,44]以及实现多种信息处理模式[45,46]具有非常重要意义。然而，迄今为止所报道的大多数多波长光电子类脑器件要么依赖于复杂的三分支架构，要么需要繁琐且成本高昂的制造工艺[[47], [48], [49], [50]]。

本研究报道了基于ZnO/CuO异质结的双层忆阻器的制备与特性分析，这些器件在电偏压及光照条件下均表现出了良好的性能。它们对多种波长光都具有较强的光敏感性，包括366纳米的紫外线和474纳米的蓝光。对比由化学计量比ZnO层与非化学计量比D-ZnO层构成的忆阻器，结果表明缺陷丰富的D-ZnO显著降低了器件形成电压。此外，D-ZnO在蓝光区域的响应强度优于ZnO。这种波长依赖的响应特性表明，这类器件在颜色检测与识别应用中具有巨大潜力。研究还利用不同波长光下的不同光敏感特性，成功实现了基于双波长输入的逻辑运算。值得注意的是，ITO/D-ZnO/CuO/Ag器件在紫外光照射下能表现出稳定的光诱导突触行为，而其对可见光的响应则相对较弱。在紫外光照射下，无论是ZnO基还是D-ZnO基器件都展现出了增强效应、成对脉冲促进效应以及时序依赖性可塑性等典型的类脑功能。此外，使用实验获得的增强曲线作为激活函数，在MNIST数据集上训练的神经网络证明了这类忆阻器适用于类脑计算。将实验获得的突触行为纳入神经网络架构后，该模型在MNIST数字数据集及Fashion-MNIST数据集上均实现了较高的识别精度，而且在使用紫外光刺激的情况下，即使在较少的训练轮次下也能获得优异的性能。这些研究结果充分体现了ZnO/CuO双层忆阻器作为下一代光电子内存及仿生计算系统候选材料的巨大潜力。

器件制备
本研究采用了商业化的铟锡氧化物涂层玻璃基底作为底部电极以及金属氧化物层沉积的基底，这类基底的方块电阻值为8–10欧姆/平方。首先用丙酮、异丙醇以及去离子水依次对ITO涂层基底进行超声清洗。随后，使用功率密度为3瓦/平方厘米的射频磁控溅射技术，以纯度为99.99%的ZnO靶材在ITO涂层基底上沉积ZnO薄膜。通过调整……

结果与讨论
这类忆阻器是通过射频磁控溅射技术依次在ITO涂层基底上沉积ZnO或D-ZnO层以及CuO层而制备的，最后的银顶部电极则是通过热蒸发法沉积的。图1a展示了以银为顶部电极、ITO为底部电极的ZnO/CuO异质结器件结构示意图。图1b的截面显微图显示，ZnO层的厚度为50纳米，CuO层的厚度为80纳米，这一数值与理论估算值一致。

结论
在本研究中，我们重点研究了CuO/ZnO双层忆阻器的制备及其特性，特别是ZnO的化学计量比对其电阻开关特性及光电子突触行为的影响。电学测量结果表明，由于非化学计量比ZnO具有更高的内在缺陷密度，因此能够实现低电压下的开关操作。此外，这类器件还展现了多种关键的类脑特性，包括光诱导增强效应、成对脉冲促进效应……

作者贡献声明
安贾拉·贾亚拉吉：概念设计、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、论文撰写与修改。阿比谢克·K：数据整理、方法设计。M.K.贾亚拉吉：概念设计、研究实施、方法设计。阿尔德林·安东尼：概念设计、资金筹集、研究实施、方法设计、项目监督、论文撰写与修改。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
安贾拉·贾亚拉吉感谢印度喀拉拉邦科钦科技大学的科研资助。此外，作者们还要感谢印度喀拉拉邦科钦科技大学物理系提供的FE-SEM、椭圆偏振仪及XRD分析设备，这些设备由DST-FIST项目提供支持。