中山大学郑跃教授团队在铁电类脑器件的畴动力学方面取得新进展

基于神经形态器件构建类脑神经网络已成为多学科交叉领域的前沿研究热点，其关键在于开发能够模拟神经元和突触行为的器件。近年来，得益于铁电材料在低功耗、非挥发性和抗疲劳方面的天然优势，基于铁电极化可控演化模拟突触可塑性的神经形态器件备受关注。尽管铁电突触器件的开发和宏观表征方面已经取得了很大进展，但是铁电神经形态器件的畴动力学微观物理图像仍不清楚。此外，当前基于铁电的突触器件通常需要与其他神经元器件相结合来实现类脑功能，极大地阻碍了类脑神经网络器件向高集成和低功耗方向发展。

中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授团队采用高时空分辨原位透射电子显微镜(in-situ TEM)表征方法，系统研究了铁电突触和神经元器件中的畴动力学，揭示了铁电神经形态器件中的畴演化规律，实现了神经元和突触可塑性的同时模拟。

图1 基于全铁电微结构协同演化的神经拟态单元示意图

作者首先研究了基于铁电畴形核的神经元点火行为[图2(b)中Ⅰ区域所示意]，基于畴壁可控倾转和迁移的突触可塑性 [图2(b)中Ⅱ区域所示意]，获得了铁电神经拟态行为中的畴动力学微观物理图像。基于铁电畴/畴壁与神经元和突触的生态相似性，提出了利用铁电畴/畴壁协同演化来同时模拟神经元和突触可塑性 [图2(c)]。

图2 基于全铁电微结构的神经拟态行为：(a) 生物脑中的神经元和突触；(b) 通过纳米探针给铁电薄膜加载电脉冲(红色或深蓝色曲线)，进而分别实现神经元拟态(Ⅰ区域)和突触可塑性(Ⅱ区域)的示意图; (c) 基于畴/畴壁协同演变行为来同时实现神经元和突触行为的示意图，其中插图分别为电脉冲序列(蓝色曲线)，极化(橙红色)、屏蔽(蓝色)和空间电荷(黄色)的动力学时间尺度示意图

作者采用电脉冲序列精细地调控薄膜中的极化、屏蔽和空间电荷的动态失配，实现了电畴翻转模式从单畴至多畴可控转变(图3)，并且相邻铁电畴之间能够通过导电畴壁可控链接。实验上，验证了基于全铁电微结构的神经形态器件结构的可行性，进一步利用相场模拟揭示了单畴到多畴演化背后的电荷动力学，为基于极性微结构进行神经形态计算提供了新思路。

图3 基于畴/畴壁协同演化的神经拟态行为的原位观测：(a)施加+7.1 V、1 Hz方波脉冲序列时，电畴面积随脉冲次数(分别标记为第i个、第ii个和第iii个脉冲)的变化关系，插图为薄膜受到的电脉冲激励信号和响应电流信号；(b)分别处于ti、tii和tiii时刻对应的TEM暗场像，初始极化朝下，刻度尺为100 nm；(c)薄膜电导值与电畴面积的关联曲线(点线图)

相关研究成果于2024年6月2日以“The Investigation of Neuromimetic Dynamics in Ferroelectrics via In Situ TEM”为题发表在国际知名期刊《Nano Letters》上。中山大学为该成果的第一署名单位，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授、张溢副教授为论文通讯作者，博士研究生吴祎玮和阳辉为共同第一作者。湖南科技大学谭丛兵副教授和中山大学陈伟津教授分别为该工作的样品制备和理论模拟提供了支持。该研究工作中的原位透射电镜表征在中山大学分析测试中心电镜平台完成，感谢中大分析测试中心电镜平台提供的支持！