中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-006）——氧化物忆阻器实现BCM学习法则及时空模式识别

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工作简介

         ——氧化物忆阻器实现BCM学习法则及时空模式识别

1982年，三位神经科学家Elie Bienenstock、Leon Cooper、Paul Munro共同提出了有关大脑视觉皮层中“神经元选择性”的著名理论，即：BCM学习法则；该理论不但推动了神经科学的进步，而且对类脑人工视觉系统等领域的发展有重要指导意义。离子-电子耦合型忆阻器因结构、功能与大脑突触高度相似，是发展类脑信息器件的理想方案。准确模拟突触的自主认知功能是发展类脑型忆阻器的关键一步。然而，在以往忆阻器上获得的BCM学习法则缺乏“长时可塑性”和“增强抑制效应”，限制了忆阻器的时空模式识别等视觉皮层功能。

针对这一问题，东北师范大学刘益春课题组通过优化材料生长参数，获得了具有丰富亚稳态结构的非晶氧化钨（WO_x）半导体薄膜材料；采用界面能带设计和电学性质调控，构建了基于Pt/WO_x肖特基势垒调制的二阶忆阻器件；在内/外电场协同作用下，亚稳态氧离子的定向迁移与扩散改变了WO_x界面费米能级，实现了肖特基势垒和界面电阻的连续调制；系统研究了氧离子的不同亚稳状态对电阻记忆与弛豫效应的影响。在此基础上，通过在传统Hebbian学习模型中引入第三个竞争因素，提出了将经典的“三脉冲时序依赖可塑性（triplet-STDP）”模型推广至BCM理论的全新模拟方案，首次在忆阻器上成功实现了对BCM学习法则的完整模拟，弥补了传统忆阻体系中缺失的“增强抑制效应”，还原了“频率阈值滑移”特性。进一步，研究组设计了遵循BCM学习法则的忆阻器前馈脉冲神经网络，实现了基于频率的方向选择性以及时空模式识别功能，这与大脑视觉皮层的“神经元选择性”高度相似。同经典的STDP模型相比，BCM学习法则采用脉冲频率编码，与脉冲神经网络更加兼容；因此，在忆阻器上实现BCM等高阶类脑行为，对发展具备时空分辨能力的新型脉冲神经网络有重要意义。

氧化物忆阻器实现BCM学习法则及时空模式识别

相关研究成果于2020年3月20日以“Toward a generalized Bienenstock-Cooper-Munro rule for spatiotemporal learning via triplet-STDP in memristive devices”为题发表在Nature Communications 11, 1510 (2020)上。东北师范大学刘益春教授、徐海阳教授和意大利米兰理工大学Daniele lelmini教授为论文共同通讯作者。

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主要作者简介

通讯作者刘益春，东北师范大学教授，博士生导师。

刘益春教授现任国际发光会议（ICL）程委会委员（2020大会主席）、国际II-VI族化合物材料会议顾委会委员、WILEY国际学术期刊《InfoMat》副主编。国家杰出青年科学基金获得者，中国科学院高层次人才计划，教育部跨世纪优秀人才。

长期从事氧化物半导体材料与信息器件领域的科研与教学工作，相关成果作为第一完成人荣获国家自然科学二等奖2项、国家教学成果一等奖1项。 

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原文传递

详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15158-3

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。

2016年，JOS被ESCI收录。

2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

半导体学报公众号

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