基于二维材料MXene的仿神经突触忆阻器的制备和长/短时程突触可塑性的实现

兼具长时程可塑性与短时程可塑性的电子突触被认为是类脑计算系统的重要基础.将一种新型二维材料MXene应用到忆阻器中,制备了基于Cu/MXene/SiO_2/W的仿神经突触忆阻器.结果表明, Cu/MXene/SiO_2/W忆阻器成功实现了稳定的双极性模拟阻态切换,同时成功模拟了生物突触短时程可塑性的双脉冲易化功能和长时程可塑性的长期增强/抑制行为,其中双脉冲易化的易化指数与脉冲间隔时间相关. Cu/MXene/SiO_2/W忆阻器的突触仿生特性,归功于MXene辅助的Cu离子电导丝形成与破灭的类突触响应机理.由于Cu/MXene/SiO_2/W忆阻器兼具长时程可塑性与短时程可塑性,其在突触仿生电子学和类脑智能领域将会具有巨大的应用前景.     

氧化物基忆阻型神经突触器件

忆阻器具有高密度、低功耗和阻值能够连续可调的特性,被认为是模拟神经突触最具潜力的候选者.而金属氧化物,因其氧离子可迁移,组分易于调控,与传统CMOS兼容等优点,是发展高性能忆阻器件的理想材料.本文首先介绍了氧化物基忆阻器件阻变行为及其运行机制,包括数字型和模拟型忆阻器.主要综述了基于模拟型忆阻器实现的突触器件认知功能模拟,包括非线性传输特性、时域突触可塑性、经验式学习和联合式学习等.然后进一步介绍了忆阻型突触器件在模式识别、声音定位、柔性可穿戴和光电神经突触方面的潜在应用.最后总结展望氧化物基忆阻神经突触在相关领域的可能发展方向.     

铝基薄膜忆阻器作为感觉神经系统的习惯化特性

感觉神经系统可在外界刺激与生物体反应之间建立联系.感觉神经系统中的最小单位神经元可直接将外界刺激传递至中枢神经,再由中枢神经通过控制和调节生物体对外界刺激作出反应.神经突触连接了相邻神经元进行脉冲信息传递功能.习惯化是神经突触在信息传递中过滤外界无关信息时的一个基本特性,可以让感觉神经系统更快速地适应外界环境变化.忆阻器模拟神经突触功能在近年获得进展,然而针对以忆阻器为基础的具有习惯化特性的神经突触以及完整神经系统的研究相对匮乏.本文利用磁控溅射技术制备了厚度约为40 nm且含铝纳米颗粒的氮化铝薄膜忆阻器,并发现这种结构忆阻器对于重复的外界刺激有明显的习惯化行为,该行为与感觉神经系统的习惯化特性极为相似.若将这种具有习惯化的神经突触与感觉神经元串联,可形成LIF(leaky integrate-and-fire)生物模型模拟完整的神经系统行为,也为忆阻器在第三代神经网络(脉冲神经网络)中的应用提供理论参考.     

两类纳米级非线性忆阻器模型及串并联研究

忆阻器是一种新型的非线性动态可变电阻器,其阻值的变化依赖于通过它的电荷量或磁通量.作为第四种基本电路元器件,忆阻器在非易失性存储器、非线性电路及系统、神经形态系统等领域中有巨大的应用潜能.忆阻器串并联组合电路具有比单个忆阻器更为丰富的器件特性,引起了研究者越来越多的关注.本文推导了带有窗函数的闭合形式的电荷及磁通量控制的忆阻器非线性模型,能够有效地模拟忆阻器边缘附近的非线性离子迁移现象,同时保证忆阻器的边界条件.进一步,分别从忆阻器的器件参数和激励阈值两个角度,对忆阻器串并联电路进行了全面的理论推导和数值分析.为了更加直观地观察忆阻器串并联特性,设计了一种基于Matlab的忆阻器串并联图形用户界面,能够清晰地展示两种分类方式下忆阻系统的器件特性,可为忆阻器组合电路的后续研究提供良好的理论参考和实验依据.     

钙钛矿相界面插层对SrFeOx基忆阻器的性能提升

SrFeO_x(SFO)是一种能在SrFeO_2.5钙铁石(BM)相和SrFeO₃钙钛矿(PV)相之间发生可逆拓扑相变的材料.这种相变能显著改变电导却维持晶格框架不变,使SFO成为一种可靠的阻变材料.目前大部分SFO基忆阻器使用单层BM-SFO作为阻变功能层,这种器件一般表现出突变型阻变行为,因而其应用被局限于两态存储.对于神经形态计算等应用,单层BM-SFO忆阻器存在阻态数少、阻值波动大等问题.为解决这些问题,本研究设计出BM-SFO/PV-SFO双层忆阻器,其中PV-SFO层为富氧界面插层,可在导电细丝形成过程中提供大量氧离子并在断裂过程中回收氧离子,使导电细丝的几何尺寸(如直径)在更大范围内可调,从而获得更多、更连续且稳定的阻态,可用于模拟长时程增强和抑制等突触行为.基于该器件仿真构建了全连接神经网络(ANN),在手写体数字光学识别(ORHD)数据集进行在线训练后获得了86.3%的识别准确率,相比于单层忆阻器基ANN的准确率提升69.3%.本研究为SFO基忆阻器性能调控提供了一种新方法,并展示了它们作为人工突触器件在神...     

忆阻突触耦合环形Hopfield神经网络动力学分析及其电路实现

提出一种新型忆阻器模型, 利用标准非线性理论分析三个忆阻特性, 并设计模拟电路。基于忆阻突触, 构建一个忆阻突触耦合环形Hopfield神经网络模型。采用分岔图、李雅普诺夫指数谱、时序图等方法, 揭示与忆阻突触密切相关的特殊动力学行为。数值仿真表明: 在忆阻突触权重的影响下, 它能够产生多种对称簇发放电模式和复杂的混沌行为。实现了该忆阻环形神经网络的模拟等效电路, 并由PSIM电路仿真验证MATLAB数值仿真的正确性。     

NbOx忆阻神经元的设计及其在尖峰神经网络中的应用

NbO_x忆阻器凭借其纳米尺寸、阈值切换及局部有源特性在神经形态计算领域展现出巨大的应用前景.对NbO_x忆阻器动力学特性的深入分析和研究有利于忆阻神经元电路的设计和优化.本文基于局部有源理论,采用小信号分析方法对NbO_x忆阻器物理模型展开了研究,定量分析了产生尖峰振荡的区域和条件,并确定了激励信号幅值和尖峰频率之间的定量关系.基于上述理论分析,进一步设计了NbO_x忆阻器神经元,并结合忆阻突触十字交叉阵列,构建了25×10的尖峰神经网络(spiking neuron network,SNN).最后,分别利用频率编码和时间编码两种方式,有效地实现了数字0到9模式的识别功能.     

离子迁移忆阻混沌电路及其在语音保密通信中的应用

忆阻器是一种具有记忆功能和纳米级尺寸的非线性元件, 作为混沌系统的非线性部分, 能够使系统的物理尺寸大大减小, 同时可以得到各种丰富的非线性曲线, 提高混沌系统的复杂度和信号的随机性. 因此, 本文采用离子迁移忆阻器的磁控模型设计了一个新的混沌系统. 通过理论推导、数值仿真、Lyapunov指数谱、分岔图和Poincaré截面图研究了系统的基本动力学特性, 并分析了改变不同参数时系统动力学行为的变化. 同时, 建立了模拟该系统的SPICE电路, SPICE仿真结果与数值分析相符, 从而验证该混沌系统的混沌产生能力. 最后, 利用线性反馈同步控制方法实现了新构造的离子迁移忆阻混沌系统的同步, 并且采用该同步方法有效实现了语音信号的保密通信. 数值仿真证实了新混沌系统的存在性以及同步控制应用的可行性.     

面向感存算一体化的光电忆阻器件研究进展

脑启发神经形态计算系统有望从根本上突破传统冯·诺依曼计算机系统架构瓶颈,极大程度地提升数据处理速度和能效.新型神经形态器件是构建高能效神经形态计算的重要硬件基础.光电忆阻器作为新兴的纳米智能器件,因具备整合光学感知、信息存储和逻辑计算等功能特性,被认为是发展类脑视觉系统的重要备选.本文将综述面向感存算功能一体化的光电忆阻器研究进展,包括光电忆阻材料与机制、光电忆阻器件与特性、感存算一体化功能及应用等.具体将根据机制分类介绍光子-离子耦合型和光子-电子耦合型光电忆阻材料,根据光电忆阻特性调节方式介绍光电调制型和全光调制型光电忆阻器件,根据感存算一体化功能介绍其在认知功能模拟、光电逻辑运算、神经形态视觉功能、动态探测与识别等方面的应用.最后总结光电忆阻器的主要优势以及所面临的挑战,并展望光电忆阻器的未来发展.     

基于忆阻器的spiking神经网络在图像边缘提取中的应用

根据生物视觉系统的功能原理,用忆阻器模拟生物突触,结合忆阻器的记忆特性和spiking神经网络的高效处理能力,构造了一种可用于图像边缘提取的三层spiking神经网络模型,该网络用忆阻器电导的变化量来表征图像边缘信息,仿真结果表明,该方法的边缘提取结果具有连续性、光滑性、低误检漏检性和边缘定位准确性,该神经网络的处理过程符合生物信息处理机制,为视觉系统的仿生实现提供了新的思路。     

在线社交网络中群体互动行为的时间特征

针对在线社交网络中群体互动行为,运用有偏扩散理论,构建有偏扩散模型,从任务的间隔时间τ与执行时间θ的关系视角,系统地阐述了群体互动活动中群体发帖行为与事件行为的时间间隔分布特征.针对群体用户发帖时τ≥θ的特征,论证群体用户发帖时间间隔的幂律分布机理.针对事件时τ>>θ的特征,论证了事件时间间隔具有指数效应的幂律分布机理,实验结果与理论推导吻合.     

二维旋转边带分解实验

描述了一类新的二维旋转边带分解实验,准备期包括交叉极化、若干个以TOSS序列的延迟加上的π脉冲和一个π/2脉冲,混合期包括一个π/2脉冲和一个TOSS序列,在演化期内,磁化矢量位于z方向。本实验能给出完全分解的各向同性化学位移与各向异性化学位移,它与Kolbert等人^[5]的实验方法相互补充。     

A phenomenological memristor model for short-term/long-term memory

Memristor is considered to be a natural electrical synapse because of its distinct memory property and nanoscale. In recent years, more and more similar behaviors are observed between memristors and biological synapse, e.g., short-term memory (STM) and long-term memory (LTM). The traditional mathematical models are unable to capture the new emerging behaviors. In this article, an updated phenomenological model based on the model of the Hewlett–Packard (HP) Labs has been proposed to capture such new behaviors. The new dynamical memristor model with an improved ion diffusion term can emulate the synapse behavior with forgetting effect, and exhibit the transformation between the STM and the LTM. Further, this model can be used in building new type of neural networks with forgetting ability like biological systems, and it is verified by our experiment with Hopfield neural network.     

具有感觉记忆的忆阻器模型

人类记忆的形成包括感觉记忆、短期记忆、长期记忆三个阶段,类似的记忆形成过程在不同材料忆阻器的实验研究中有过多次报道.这类忆阻器的记忆形成过程存在有、无感觉记忆的两种情况,已报道的这类忆阻器的数学模型仅能够描述无感觉记忆的忆阻器.本文在已有模型的基础上,根据有感觉记忆的忆阻器的研究文献中所报道的实验现象,设计了具有感觉记忆的忆阻器模型.对所设计模型的仿真分析验证了该模型对于存在感觉记忆的这类忆阻器特性的描述能力:对忆阻器施加连续脉冲激励,在初始若干脉冲作用时忆阻器无明显的记忆形成,此时忆阻器处于感觉记忆阶段,后续的脉冲作用下忆阻器将逐渐形成短期、长期记忆,并且所施加脉冲的幅值越大、宽度越大、间隔越小,则感觉记忆阶段所经历的脉冲数量越少.模型状态变量的物理意义可用连通两电极的导电通道在外加电压作用下的形成与消失来给出解释.     

多孔材料分形扩散模型的Fourier-Bessel级数算法及其应用

将Fick扩散定律的Fourier三角级数算法推广成多孔材料分形扩散模型的Fourier-Bessel级数算法,并把它应用于化学工程中吸附问题涉及的浓度分布与相对吸附量的计算中,取得一些规律性认识.由于分形扩散模型是在Fick扩散定律的基础上增加了表征微观结构的参数d_f和θ,研究多孔材料中的浓度分布与相对吸附量时,与Fick扩散定律的研究结果相比,定性上基本一致,在定量上有差别,d_f和θ对扩散传质过程的影响各有侧重,用它们可更好地描述多孔材料中的扩散过程.     

未掺杂反式聚乙炔(CH)x中核自旋晶格弛豫-孤子-维扩散模型

Nechtschein等人报道并分析了反式聚乙炔中质子自旋晶格弛豫时间对拉摩频率ω和温度T的依赖关系。观察到了质子自旋晶格弛豫速率T₁^-1和ω^-1/2的正比关系。但是在高频段,T₁^-1∝ω^-1/2关系发生偏离,且温度越低,发生偏离的频率也越低。 本文用另一种方法对这些实验结果作了分析。首先,论证了孤子一维扩散模型的合理性。排除了质子弛豫速率∝ω^-1/2的另一种解释,即仅仅是核自旋向着静止的顺磁中心扩散。孤子能处在运动状态或静止状态。当温度降低时,发生两个效应,即越来越少的孤子处于运动状态,且运动孤子的扩散系数减小。只有扩散的孤子对所观察到的质子弛豫有贡献,而固定孤子的贡献可以忽略。其次,描述了运动孤子的一维随机行走模型,计算了它的相关函数和谱密度函数。质子自旋晶格弛豫速率是: 其中C是运动孤子的浓度,τ是运动孤子沿链跳跃时,渡越相邻位置的跳跃时间,ω是质子的拉摩频率。 这个公式揭示了质子弛豫速率的频率和温度依赖关系的主要特征。它和Nechtschein的测量结果拟合得很好。从拟合中可以得到各个温度下运动孤子的跳跃时间和相对浓度。     

Attempt to generalize fractional-order electric elements to complex-order ones

The complex derivative D~(α±jβ), with α, β∈ R+ is a generalization of the concept of integer derivative, where α = 1,β = 0. Fractional-order electric elements and circuits are becoming more and more attractive. In this paper, the complexorder electric elements concept is proposed for the first time, and the complex-order elements are modeled and analyzed.Some interesting phenomena are found that the real part of the order affects the phase of output signal, and the imaginary part affects the amplitude for both the complex-order capacitor and complex-order memristor. More interesting is that the complex-order capacitor can do well at the time of fitting electrochemistry impedance spectra. The complex-order memristor is also analyzed. The area inside the hysteresis loops increases with the increasing of the imaginary part of the order and decreases with the increasing of the real part. Some complex case of complex-order memristors hysteresis loops are analyzed at last, whose loop has touching points beyond the origin of the coordinate system.     

初始压入位置对Ni基单晶合金纳米压痕影响研究

针对Ni基单晶合金建立初始压入γ 相的γ /γ' 模型和初始压入γ'相的γ'/γ 模型, 采用分子动力学方法模拟金刚石压头压入两种模型的纳米压痕过程, 计算两种模型[001]晶向硬度. 采用中心对称参数分析两种模型(001)相界面错配位错对纳米压痕过程的影响. 结果显示: 弛豫后, 两种模型(001)相界面错配位错形式不同, 其中γ'/γ 模型(001)相界面错配位错以面角位错形式存在; 压入深度在0.930 nm 之前, 两种模型(001)相界面错配位错变化不大, 压入载荷-压入深度及硬度-压入深度曲线较符合; 压入深度在0.930 nm之后, γ'/γ 模型(001)相界面错配位错长大很多, 导致相同压入深度时γ'/γ 模型比γ /γ'模型压入载荷和硬度计算结果小; 压入深度在2.055 nm之后, γ /γ'模型(001)相界面错配位错对γ 相中位错进入γ'相有阻碍作用, 但仍有部分位错越过(001) 相界面进入γ' 相中, γ'/γ 模型(001)相界面处面角位错对γ' 相中位错进入γ 相有更明显的阻碍作用, 几乎无位错越过(001) 相界面进入γ 相中, 面角位错的强化作用更明显, 所以γ'/γ 模型比γ /γ'模型压入载荷上升速度快.     

Lattice Boltzmann model for interface capturing of multiphase flows based on Allen–Cahn equation

A phase-field-based lattice Boltzmann model is proposed for the interface capturing of multi-phase flows based on the conservative Allen–Cahn equation(ACE).By adopting the improved form of a relaxation matrix and an equilibrium distribution function,the time derivative?t(φ)induced by recovering the diffusion term in ACE is eliminated.The conducted Chapman–Enskog analysis demonstrates that the correct conservative ACE is recovered.Four benchmark cases including Zalesak’s disk rotation,vortex droplet,droplet impact on thin film,and Rayleigh–Taylor instability are investigated to validate the proposed model.The numerical results indicate that the proposed model can accurately describe the complex interface deformation.     

A synapse memristor model with forgetting effect

In this Letter we improved the ion diffusion term proposed in literature [13] and redesigned the previous model as a dynamical model with two more internal state variables ‘forgetting rate’ and ‘retention’ besides the original variable ‘conductance’. The new model can not only describe the basic memory ability of memristor but also be able to capture the new finding forgetting behavior in memristor. And different from the previous model, the transition from short term memory to long term memory is also defined by the new model. Besides, the new model is better matched with the physical memristor (Pd/WOx/W) than the previous one.