基于固态聚合物电解质的离子电子忆阻器中的界面离子调制：面向神经形态学习与伤害感受器模拟

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Interfacial Ionic Modulation in a Solid Polymer Electrolyte-Based Ionotronic Memristor for Neuromorphic Learning and Nociceptor Emulation

　　

摘要

基于固体聚合物电解质（SPE）的忆阻器通常表现出可预测的数字非易失性开关特性，但电导可调范围有限，限制了其在神经形态系统中的应用。这种行为源于SPE中可移动的阳离子和阴离子通过正反馈过程快速形成牢固的导电丝，从而产生急剧的写入/复位转变。在此，我们证明，通过采用合适的脉冲方案，可以通过界面离子调控进入非丝状路径，从而实现渐进式电导调制，这适用于神经形态计算。我们制备了基于溶解CuBr的聚乙烯醇（Cu-SPE）的忆阻器，在直流偏压扫描模式下表现出常规的数字丝状开关特性。优化后的器件（2 wt% CuBr）实现了大于103的开/关比，平均写入电压为+0.65 V，复位电压为–0.7 V，并改善了均匀性。电化学表征显示，Cu?的输运数较低（t_Cu? ≈ 5%），大部分离子电流由阴离子承载，导致在偏置条件下产生浓度极化。通过利用这种极化效应并通过定制脉冲方案调节Cu?离子注入，Cu-SPE忆阻器可以可重复地模拟跨时间尺度的突触行为，包括双脉冲易化和抑制（PPF/PPD）、脉冲幅度和脉冲宽度依赖的突触权重调制，以及Hebbian学习规则。该器件还能复现关键的伤害感受反应，包括阈值触发、无适应和敏化。此外，它还可以遵循巴甫洛夫的经典条件反射并作为摩尔斯电码生成器。用金电极替代铜电极的对照实验证实，界面离子调控驱动了神经形态行为。这些结果确立了一个重要发现，即基于SPE的忆阻器可以同时支持数字丝状存储，并以类似于流体忆阻器的非丝状、离子介导模式工作，从而拓宽了其在神经形态硬件中的适用性。