毕设笔记(二)

A Ferrite Synaptic Transistor with Topotactic Transformation(一种具有拓扑转化特性的铁氧体突触晶体管)

主题：

  通过电解质(如离子液体)门控控制从褐铁矿 $SrFe{O}_{2.5}$ 到钙钛矿 $SrFe{O}_{3-\delta }$ 之间的拓扑相变，利用门控可调的多级导电状态，成功构建了一种具有电解质门控铁氧体薄膜的突触晶体管，这些导电状态源自拓扑相变诱导的不同缺氧钙钛矿结构 $SrFe{O}_x$。这种三端人工突触能够模拟重要的突触功能。
  三端电解质栅控晶体管具备额外的栅极控制，更适合实现低能耗的突触功能，信号传输可通过通道(沟道)完成，突触权重可通过栅极端调控。这类器件的通道需要采用先进的薄膜材料，以在电解质栅控下实现多重电阻状态。
  与作为相变存储基础的非晶态和晶态之间的相变不同。拓扑相变通过调节氧化物中的氧化学计量比实现相变。
  $SrFe{O}_x$即$SFO$，拥有拓扑相变特性，指的是锶铁氧体，这是一种具有顶位相变特性的钙钛矿结构的氧化物。在文献中，SFO 被研究用于人工突触器件，因为它能够在不同的氧含量下展现出不同的电子结构和导电性。
  BMSFO (Brownmillerite $SrFe{O}_{2.5}$)：指的是锶铁氧体的一种特定相态，即含有较少氧的布朗米勒矿相。BMSFO 是一种绝缘体，其晶体结构由交替层的 $Fe{O}_6$ 八面体和 $Fe{O}_4$ 四面体组成。在文献中，BMSFO 被用作电解质门控晶体管的通道材料，因为它可以通过顶位相变在绝缘和导电状态之间转换。
  PVSFO (Perovskite $SrFe{O}_{3-\delta }$)：指的是锶铁氧体的另一种相态，即钙钛矿相。PVSFO 与 BMSFO 不同，它因为氧原子的空位填充而表现出金属导电性，拥有以$Fe{O}_6$八面体为角共享的结构。在文献中，通过电解质门控可以实现 BMSFO 到 PVSFO 的相变，这种相变可以用来调控晶体管的导电状态，从而模拟生物突触的功能。
  离子液体栅控 (ILG) 不仅通过静电效应，还通过离子迁移引发的相变来实现电化学效应，通过ILG控制的功能离子在钴酸盐薄膜中的插入和提取，可实现不同相之间的可逆相变，因此拓扑相变材料薄膜可作为电解质栅控突触晶体管通道的理想候选材料。

实验结论：

1. 采用脉冲激光沉积法在（001）取向的$SrTi{O}_3$（STO）衬底上生长了BM-SFO外延薄膜，使用离子液体DEME-TFSI）作为电解质栅控介质，经过ILG负向栅控后，发生BM相向PV相的相变，薄膜的晶体结构转变为类似PV的结构，通过ILG引发的BM相和PV相之间的转变是可控且非易失的。
2. 器件结构：$SrFe{O}_x$ 薄膜形成源（S）和漏（D）电极之间的通道，离子液体（DEME-TFSI）作为栅控介质。
3. 通道可以在低导电态和高导电态之间可逆调控。随着VG从0扫向负值，器件导电性(电导率)增加；而当VG大于0时，器件导电性(电导率)降低。传输曲线显示出明显的滞回环，表明具有良好的可逆性。负向栅控可触发SFO薄膜从绝缘的BM相转变为导电的PV相，而正向栅控可使SFO薄膜从导电的PV相回到绝缘的BM相。
4. 施加负VG可增加通道电导率，而施加正VG则可降低通道电导率。更高的VG值会引起更大的通道导电调制使通道电导率在每次“写入”操作后可保持不变，表明具有固有的非易失性行为。（一旦通过“write”操作改变了通道的电导状态，即使去除了栅极电压，这种改变也能保持不变）。
   可以认为：更高的VG值：能够更有效地诱导从BMSFO到PVSFO的相变，从而实现更大的电导调制，并且这种状态改变是稳定的，可以保持较长时间，体现了非易失性特性。
   较低的VG值：可能不足以完全触发从BMSFO到PVSFO的相变，或者相变不完全，导致电导的增加不够稳定，可能会在VG去除后逐渐衰减回到原始状态，而不能实现长期的稳定保持。
5. 脉冲幅度和脉冲宽度对兴奋性突触后电流（EPSC）的影响：
   • 脉冲幅度对EPSC的影响：通过改变栅极电压（VG）脉冲的幅度，可以改变EPSC的大小。具体来说，当VG脉冲的幅度增加时，EPSC的幅度也会随之增加。推测这是因为更大的负VG脉冲会促进从绝缘的BMSFO相到导电的PVSFO相的相变，从而增加通道的电导。（该电流即固定$V_{SD}$ = 0.6 V的条件下同时监测源-漏电流（$I_{SD}$），可以认为电导越大，电流越大）
   • 脉冲宽度对EPSC的影响：随着脉冲宽度的增加，栅极脉冲触发的EPSC峰值和保持值增加。推测这是因为更宽的脉冲提供了更多的时间来实现从BMSFO到PVSFO的相变，从而在通道中实现更大的电导变化。
6. 通过向晶体管发送交替的负电压和正电压脉冲，可以控制晶体管在两种稳定的电导状态之间切换。负电压脉冲促进从BMSFO到PVSFO的相变，增加电导；而正电压脉冲则可能促进相反的相变，降低电导。（实验中施加16个-1.8 V的负向VG脉冲将电导率从4.8 nS增加到7.8 nS。接着，使用24个幅度为+1.8 V、脉冲宽度为10秒的VG脉冲，将导电状态逐步降低，电导率最终从7.8 nS减少到4.8 nS。在循环中，电导状态稳定在4.8 nS和7.8 nS两个值）
7. VG 控制的长期增强(LTP)和抑制行为(LTD)，分别使用了 16 次负脉冲（−1.8 V，5 秒，间隔 10 秒）和 24 次正脉冲（1.8 V，10 秒，间隔 10 秒）。
   • 这些负脉冲触发了从绝缘的BMSFO相到导电的PVSFO相的相变，导致通道电导增加。随着更多的负脉冲施加，更多的氧原子被插入到SFO通道中，使得PVSFO相的比例增加，从而增强了通道的电导。这个过程模拟了生物突触中LTP的过程，即突触权重的增加。
   • 这些正脉冲倾向于从PVSFO相中提取氧原子，促使相变回BMSFO相，导致通道电导减少。随着正脉冲的连续施加，PVSFO相的比例减少，BMSFO相的比例增加，从而降低了通道的电导。这个过程模拟了生物突触中LTD的过程，即突触权重的减少。
8. STDP（Spike-Timing-Dependent Plasticity，时序依赖性突触可塑性）是一种生物神经网络中的现象，它描述了突触强度如何根据前突触和后突触活动的相对时序来增加或减少。在人工神经网络和神经形态计算中，STDP是一种重要的学习规则，用于模拟生物突触的这种时序依赖性可塑性。
   • STDP原理：STDP依赖于前突触（pre-neuron）和后突触（post-neuron）之间的尖峰（spike）（脉冲）时间差异Δt。如果前突触尖峰先于后突触尖峰（Δt > 0），则倾向于增强突触（LTP）；如果前突触尖峰晚于后突触尖峰（Δt < 0），则倾向于抑制突触（LTD）。
   • 实验设置：文献中通过连接一个多路复用器（multiplexer）的输出端到晶体管的栅极，并使用这个设置将前突触和后突触尖峰之间的时间差异转换为电压脉冲。这样，通过调整栅极电压脉冲的时间差异，也就等价于改变施加在晶体管栅极上的电压脉冲的时序，从而影响通道电导率，可以模拟STDP现象。
   • 非对称STDP：当突触强度的变化仅取决于前突触和后突触尖峰的时间顺序（即Δt的符号）时，发生非对称STDP。如果前突触尖峰先于后突触尖峰（Δt > 0），则发生LTP；如果前突触尖峰晚于后突触尖峰（Δt < 0），则发生LTD。这种非对称STDP曲线可以通过指数衰减函数拟合，非对称STDP与生物神经网络中的STDP行为更为相似。
   • 对称STDP：当突触强度的变化仅取决于前突触和后突触尖峰的时间差异的绝对值，而不取决于它们的时序（即Δt的符号不影响结果）时，发生对称STDP。在这种情况下，无论前突触尖峰是先于还是晚于后突触尖峰，只要时间差异的绝对值相同，突触强度的变化就是相同的。对称STDP可以通过选择适当的源尖峰形状来实现，这通常涉及到对电压脉冲波形的特定调整。
9. 在对字母“I”、“O”和“P”的图像在突触阵列中的编程测试中，有个对虚假脉冲的抗干扰测试−0.3 V 振幅，2 s 宽度）。对于该测试的理解：
   • 突触阵列对写入脉冲敏感，意味着这些脉冲（通常具有特定的幅度和时间模式）能够引起突触阵列中电导的持久变化，从而存储信息；突触阵列对干扰脉冲不敏感，意味着这些脉冲（通常幅度较小，不符合写入脉冲的特征）不会引起突触阵列中电导的持久变化。
   • 当施加了低幅度的干扰脉冲序列后，突触阵列的电导会立即增加，但这种增加是短暂的，随后会迅速衰减。这种短期现象可以理解为静电效应，即干扰脉冲可能引起了一些瞬时的电荷重新分布，但这些变化不足以引起材料结构的长期改变。
   • 容错性体现在即使在干扰脉冲的影响下，突触阵列仍能保持原有的信息（即“I”的图像）。这意味着虽然干扰脉冲引起了短暂的电导变化，但这些变化不足以干扰或改变阵列中已经存储的信息。 即突触阵列的电导在干扰脉冲后能够回复到初始值，这里的“初始值”指的是在施加干扰脉冲之前，阵列中存储的“I”图像对应的电导值。
   • 该测试中写入图像通过施加 28 个 −1.8 V 栅极负脉冲，而擦除通过施加 22 个 +1.8 V 栅极正脉冲
10. 在神经网络中，突触层由电解质门控晶体管交叉条阵列和接入设备组成。组成的交叉阵列由行线和列线交叉组成，每个交叉点可以代表一个突触。
    当输入向量通过交叉阵列时，每个输入元素都会根据其对应的突触权重与行向量相乘，然后所有这些乘积被求和，得到该神经元的输出。 即向量-矩阵乘法操作。
    在学习过程中，通过调整突触权重（即交叉点上的值），可以实现对权重矩阵的更新。这种更新可以通过计算输入向量和某个神经元输出向量的外积来实现，从而调整与该神经元相连的所有突触的权重。 即外积更新操作。

实验部分：

1. 样品制备：在 (001) SrTiO₃ 衬底（MTI Ltd.）上，通过脉冲激光沉积（PLD）方法在 308 nm XeCl 准分子激光的作用下外延生长厚度为 50 nm 的褐钙钛矿相 SrFeO₂.₅ 薄膜。激光能量密度约为 2 J cm⁻²，重复频率为 2 Hz。SFO 薄膜在 750 °C 下于流动的氧气气氛中沉积，氧压为 1 × 10⁻³ Pa，并以 30 °C/min 的速率冷却至室温。SFO 薄膜的沉积速率进一步通过 X 射线反射（XRR）进行校准。
2. 器件制备：采用标准光刻技术和氩离子刻蚀将薄膜制成带有共面栅结构的通道，通道尺寸为 210 µm × 50 µm。Pt 层通过电子束蒸发法制备作为电极。为了防止栅电极与源电极之间的电泄漏，使用硬化光刻胶作为隔离层。随后，在氧气气氛下于 250 °C 下退火 5 分钟，以增强电极接触性能。最后，通过滴加离子液体 N,N-二乙基-N-(2-甲氧基乙基)-N-甲基铵双（三氟甲基磺酰基）亚胺于通道和栅电极上完成晶体管器件的制备。
3. 样品表征：
   • 使用X射线衍射仪进行X射线衍射测量。
   • 使用光谱光度计在室温下测量光学透射光谱。
   • 使用扫描透射电子显微镜（STEM）和高角环形暗场（HAADF）成像技术表征SFO薄膜的原子结构。
   • 通过电子能量损失谱（EELS）和X射线吸收光谱（XAS）进一步揭示了SFO薄膜的电子结构和相变。
4. 电学测量：
   • 在常温环境条件下使用Lakeshore探针台和Keithley 4200半导体参数分析仪测量电解质门控SFO器件的电学特性。
   • 转移曲线的扫描速率约为1 mV/s。

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