Российские нанотехнологии, 2022, T. 17, № 1, стр. 106-116

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в мире активно разрабатываются проекты, предполагающие развитие технологий нейроинтерфейсов (brain-computer interface), являющихся набором программно-аппаратных комплексов, позволяющих управлять внешними устройствами напрямую с помощью электрических сигналов мозга, которые трансформируются в команды управления благодаря технологиям искусственного интеллекта. Разрабатываются интерфейсы, обеспечивающие самостоятельное формирование целей, оценку ситуаций, прогнозирование их развития и принятие решений. Мировой рынок нейроинтерфейсов в 2019 г. составил $1.2–1.3 млрд и до 2027 г. этот сегмент будет расти в среднем на 15% в год. США за 7 лет инвестировали в технологии “brain-computer interface” более $1.2 млрд. (общий планируемый объем вложений – $6 млрд.), на Китайский “China Brain Project” выделено финансирование не менее $3 млрд. Все эти факты подтверждают актуальность и важность рассматриваемого направления исследований.

Нейроморфные вычисления имеют большой потенциал при реализации энергосберегающих процессов самоадаптивного обучения и параллельных вычислений. При этом синаптические материалы и устройства, имитирующие биологические синапсы, являются важными строительными блоками для нейроморфных вычислительных операций [1, 2]. Полимерные, перовскитные и композитные (органика–неорганика) оптоэлектронные синаптические устройства для нейроморфных операций на основе мемристорных структур рассматриваются в качестве электронных аналогов синапса в электронных сетях. Большинство работ в этой области посвящено использованию мемристоров на основе неорганических материалов, что объясняется наличием существующих технологий производства таких устройств. Полимерные, перовскитные и композитные (органика–неорганика) мемристорные устройства представляют собой особый класс электронных элементов для имитации свойств синапса и создания нейроморфных систем. Преимуществами органических и перовскитных материалов являются: низкая себестоимость производства, малый вес, низкое энергопотребление, возможность реализации гибких схем, а также их способность формировать 3D-сети методом самоорганизации. Прогресс в области оптоэлектроники показал, что электрическое смещение и свет могут быть составными элементами синаптических устройств. С помощью таких оптоэлектронных синаптических устройств можно моделировать ряд важных биологических синаптических функций, таких как краткосрочная пластичность, долговременная пластичность, пластичность, зависящая от времени спайков и спайк-рейтинга [3–5]. Большое внимание уделяется моделированию синапсов с помощью мемристорных устройств и органических материалов с эффектом резистивного переключения под действием электрического поля и света [4–8]. Резистивная память с произвольным доступом (Resistive random access memory – RRAM) является новой высокопроизводительной платформой для хранения данных и моделирования синапсов, так как такие устройства отличаются хорошей масштабируемостью, высокой скоростью работы и малой энергоемкостью [9]. В то же время механизм резистивного переключения как в неорганических, так и в органических ячейках RRAM до сих пор до конца не выяснен и является предметом интенсивных исследований [10]. Металлоорганические галогенидные перовскиты [11] совмещают в себе преимущества неорганических и органических резистивных материалов, что делает их перспективными для применения в ячейках RRAM и синаптических устройствах [12–14]. На рис. 1 представлена схема построения запоминающих устройств (ячеек RRAM и полевых транзисторов) из полимерных и перовскитных композитных материалов; такое запоминающее устройство будет служить базовой единицей для моделирования искусственных синапсов. Ячейки RRAM на основе металлоoрганических перовскитов были исследованы в [12, 13], где отмечались их стабильность и многоразовый характер операций запись–стирание. Оптоэлектронные мемристоры для нейроморфных операций на основе пленок металлоорганических перовскитов, работающие в импульсном режиме, были продемонстрированы в 2021 г. [14]. Однако мемристоры на основе композитных пленок – перовскит–частицы графена и оксида графена – не были исследованы до настоящего времени.

Рис. 1.

Схема построения запоминающих устройств из полимерных и перовскитных композитных материалов, служащих базовой единицей для моделирования искусственных синапсов.

Целью настоящей работы является исследование эффектов резистивного переключения в полимерных и металлоорганических перовскитных композитных (органика–неорганика) мемристорных материалах и устройствах с точки зрения их использования в качестве оптоэлектронных синаптических устройств в нейроморфных операциях. Показано, что включение в матрицы полимеров и металлоорганических перовскитов частиц графена и оксида графена приводит к эффекту переключения и памяти в таких мемристорных материалах и устройствах.

МЕТОДЫ

В качестве материалов для изготовления полимерных и композитных ячеек RRAM, предназначенных для моделирования синапсов, выбраны растворимые в органических растворителях полифункциональные полимеры: poly(9vinylcarbazole) (PVK – (C₁₄H₁₁N)_n), молекулярная масса Mw ~ 1.1 × 10⁶, ширина запрещенной зоны E_g ~ ~ 3.6 эВ; poly(9,9dindodecylfluorenyl2,7diyl) (PFD – (C₃₁H₄₄B₂O₅)_n, Mw ~ 5.18 × 10², E_g = 3.36 эВ; polyvinylchloride (PVC – (C₂H₃Cl)_n, Mw ~ 4 × 10⁴–1.45 × × 10⁵, E_g = 4.86 эВ; и их композиты с частицами графена (Gr) диаметром от 200 до 300 нм (высокотемпературный восстановленный графен (HTRG)) и частицами оксида графена (GO) диаметром от 400 до 500 нм. Концентрация частиц Gr и GO в матрице полимеров варьировалась в пределах 1–3 мас. %. Полимеры PVK, PFD и подложки ITO/ПЭТ были приобретены в SigmaAldrich, PVC – ФГУП ВНИИСВ (г. Тверь), частицы Gr и GO (ООО АкКоЛаб (г. Москва)) использовались без дополнительной обработки.

Для приготовления ячеек RRAM на основе металлоорганических перовскитов использовали порошки металоорганических перовскитов CH₃NH₃PbBr₃ с E_g ∼ 2.3 эВ и CH₃NH₃PbI₃ с E_g ∼ ∼ 1.55 эВ (обозначаются как MAPbBr₃ и MAPbI₃ соответственно), приобретенные в Xi’an Polymer Light Technology Corp., применявшиеся без дополнительной обработки. В качестве второго компонента композитов были выбраны частицы GO (ООО АкКоЛаб). При изготовлении образцов сэндвич-структур для ячеек RRAM использовали стеклянные и полимерные (PET) подложки со слоем ITO ((In₂O₃)_0.9(SnO₂)_0.1), водную дисперсию проводящего полимера (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrene sulfonate) (PEDОT:PSS) с массовой долей PEDОT:PSS = 0.013, а также производные фуллеренов: [6, 6 ]-Phenyl C₆₁ buty1ric acid methyl ester, [60] PCBM, (C₇₂H₁₄O₂), Mw ∼ ∼ 9.1 × 10² (все Sigma Aldrich). Порошки перовскитов и частицы Gr и GO соответственно растворяли и диспергировали в DMF (N,N-Dimethylformamide, C₃H₇NO) или DMA (N,N-Dimethylacetamide, C₄H₉NO). Полученные растворы смешивали в разных массовых пропорциях (например, 9.7:0.3), затем смеси диспергировали ультразвуком в течение 10 мин с помощью ультразвуковой мешалки Bandelin Sonopuls HD 2070 на частоте 20 кГц. Полученные растворы в объеме 20 мл наносили в виде пленок на стеклянные подложки с проводящими ITO-электродами с помощью центрифугирования со скоростью 500–2000 об./мин. Далее образцы высушивали при температуре 100°C в течение 15 мин для удаления растворителя. На полученные образцы наносили пленки [60] PCBM (20 мл раствора [60] PCBM в хлороформе) по технологии, аналогичной технологии нанесения растворов перовскитов с частицами GO. Толщина рабочего слоя полученных ячеек RRAM составляла 300–400 нм. На рис. 2 показаны структуры молекул полимеров: PVK (а), PFD (б), PVC (в), а также металлоорганических перовскитов CH₃NH₃PbBr₃(I₃) (г) и оксида графена (д). На рис. 3 представлены структуры ячеек RRAM на основе Al/PVK:Gr(GO)/ITO/PET (a) и металлоорганических перовскитов МА⁺PbХ^–, где МА⁺ = CH₃NH₃, Х^– – Br₃ или I₃ (б).

Рис. 2.

Структуры молекул полимеров PVK (a), PFD (б), PVC (в), а также металлоорганических перовскитов CH₃NH₃PbBr₃(I₃) (г) и оксида графена (д).

Рис. 3.

Структуры ячеек RRAM на основе Al/PVK: Gr(GO)/ITO/PET (a) и металлоорганических перовскитов МА⁺PbХ^–, где МА⁺ = CH₃NH₃, Х^– – Br₃ или I₃ (б), а также полевого транзистора на основе PVK:GO (в).

Спектры поглощения композитных полимерных пленок с частицами Gr и GO, а также пленок металлоорганических перовскитов CH₃NH₃PbBr₃:GO и CH₃NH₃PbI₃:GO со слоем [60] PCBM (толщина ~1 мкм), нанесенных на кварцевые подложки, иccледовали на спектрометре Cary-50 (Varian) (190–1100 нм, спектральное разрешение – 0.1 нм). Вольт-амперные характеристики (ВАХ) образцов измеряли в сэндвич-геометрии на постоянном токе и при подаче импульсного смещения по двухзондовой схеме при 290 K в темноте и при облучении имитатором солнечного света с использованием автоматизированной измерительной установки на основе пикоамперметра Keithley 6487. Напряжение на контактах сэндвич-структур варьировали в пределах от –1.5 до 1.5 В с переменным шагом. ВАХ композитных пленок в импульсном режиме измеряли при 300 K на установке с генератором тока PCG10A. При этом на образец и последовательно соединенное с ним сопротивление нагрузки с генератора подавали импульсное напряжение длительностью 2 мс треугольной формы, максимальное значение тока составило 100 мкА, период тактовой частоты – 4 мкс. В качестве нижнего электрода образцов выступал слой ITO, в качестве верхнего – золотой прижимной контакт площадью S = 10^–4 см². Измерение напряжения проводили с помощью двухканального осциллографа PS500. Контакты к электродам при измерении ВАХ на постоянном токе выполняли серебряной проволокой с использованием углеродной и серебряной паст (SPI).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты исследований спектров поглощения пленок PVK, PVK:Gr, PVK:GO показаны на рис. 4a. Из приведенных данных видно, что край поглощения чистого PVK-полимера лежит в спектральной области ~350 нм. Внедрение частиц Gr и GO при их концентрации ~2–3 мас. % приводит к уменьшению интенсивности поглощения на 20 и 40% соответственно в диапазоне 350–380 нм, а также к появлению “хвостов” спектров поглощения в спектральном диапазоне выше 380–1100 нм. Такой характер спектров поглощения аналогичен поглощению в композитных пленках на основе других полимерных полупроводников с частицами Gr и GO.

Рис. 4.

Спектры поглощения пленок PVK, PVK:Gr, PVK:GO (GO и Gr ~ 2–3 мас. %) (а); спектры поглощения пленок металлоорганических перовскитов CH₃NH₃PbBr₃ (1) и CH₃NH₃PbI₃ (3) и этих же пленок со слоем [60] PCBM (2, 4 соответственно) (б). Стрелки показывают край поглощения исследованных металлоорганических перовскитов.

На рис. 4б показаны спектры поглощения пленок металлоорганических перовскитов CH₃NH₃PbBr₃ и CH₃NH₃PbI₃ (кривые 1 и 3 соответственно), а также спектры поглощения этих пленок, покрытых слоем [60] PCBM (кривые 2 и 4 соответственно) на кварцевых подложках. Стрелки показывают край поглощения исследованных металлоорганических перовскитов. Как видно из рис. 4б, край поглощения металлоорганического перовскита CH₃NH₃PbBr₃ находится в спектральной области ~540 нм (E_g ~ 2.3 эВ), а CH₃NH₃PbI₃ – в спектральной области ~800 нм (E_g ~ 1.55 эВ). Как следует из рис. 4б, нанесение слоя [60] PCBM на пленки металлоорганических перовскитов приводит к значительному увеличению поглощения в таких структурах (кривые 2 и 4), что широко используется при изготовлении как полимерных, так и перовскитных солнечных элементов.

Композитные пленки, описанные выше, были применены для исследования энергонезависимого эффекта WORM (write once read many) – памяти, при этом полимеры PVK, PFD и PVC использовались в качестве матриц для частиц Gr и GO, являющихся ловушками для носителей заряда. Экспериментальные ВАХ таких структур приведены на рис. 5a. Как видно из рис. 5a–5в, эффект памяти для структур вида Al/PVК(PFD):GO(Gr)/ITO/PET заключается в переключении проводимости композитной пленки из низко- в высокопроводящее состояние при подаче смещения ~0.1–0.2 В на Al-ITO-электроды, что соответствует напряженности электрического поля E ~ 3–4 × 10⁴ В/см. При этом, как видно из представленных результатов, ВАХ образцов следуют линейному (омическому) закону как в исходном, так и в конечном состоянии, а отношение конечного и начального тока через образец (j₂/j₁) варьировалось в пределах ~2–200. Аналогичные результаты были получены для ряда других образцов композитных пленок PVK:Gr, PVK:GO, PFD:Gr, PVC:GO с содержанием Gr и GO в пределах 1–3 мас. % [15, 16]. Отметим, что величины напряжений переключения в структурах вида Al/PVК(PFD):GO(Gr)/ITO/PET оказались значительно ниже пороговых напряжений для композитов полимер–неорганические наночастицы и полимер–графен, известных из литературы. Для всех исследованных в настоящей работе образцов при эффекте переключения наблюдается резкое, на 1–2 порядка, увеличение тока через структуру, что указывает на переход из состояния “выключено” в состояние “включено” (процесс “записи”). Образец остается во “включенном” состоянии и при обратном направлении сканирования  по  напряжению,  а также при многократном сканировании как при положительном, так и при отрицательном смещении на электродах. В ряде случаев наблюдался эффект обратного переключения пленок Al/PVК:GO(Gr)/ITO/PET в относительно низкопроводящее состояние.

Рис. 5.

ВАХ композитных пленок: Al/PVK:Gr/ITO/PET, Al/PVK:GO/ITO/PET, (a, б, в), пленок     Ag/[60]     PCBM/CH₃NH₃PbBr₃:GO/ PEDOT:PSS/ITO/glass в темноте (г, д) и Ag/[60] PCBM/CH₃NH₃PbI₃:GO/PEDOT:PSS/ITO/glass при освещении имитатором солнечного света (е, ж, з) с эффектами резистивного переключения.

Рис. 5.

Окончание.

Рис. 5.

Окончание.

Рис. 5.

Окончание.

Аналогичное поведение ВАХ наблюдалось в пленках металлоoрганических перовскитов с частицами GO: CH₃NH₃PbBr₃(I₃):GO в темноте (рис. 5г, 5д) и при освещении имитатором солнечного света (рис. 5е–5з). Как видно из этих результатов, в обоих типах образцов CH₃NH₃PbBr₃:GO и CH₃NH₃PbI₃:GO наблюдается эффект переключения из низкопроводящего в относительно высокопроводящее состояние при подаче как положительного, так и отрицательного смещения ~0.1–1.0 В на Ag- и ITO-электроды, что соответствует напряженности электрического поля E ~ ~ 10⁵–10⁶ В/см как в темноте, так и при освещении имитатором солнечного света. Наиболее отчетливо переключение тока наблюдалось в пленках CH₃NH₃PbBr₃:GO при приложении смещения ~0.2 В (рис. 5г). При этом, как видно из рис. 5д, ВАХ образцов CH₃NH₃PbBr₃:GO следуют линейному (омическому) закону как в исходном, так и в конечном состоянии, а отношение токов через эти образцы до и после переключения достигает ~10². Большинство образцов CH₃NH₃PbBr₃:GO оставалось во “включенном” состоянии и при обратном направлении сканирования по напряжению, а также при многократном сканировании как при положительном, так и при отрицательном смещении на электродах без существенного гистерезиса ВАХ, что указывает на тип переключения, характерный для одноразовой RRAM – WORM-памяти. Аналогичные результаты были получены и для других образцов композитных пленок CH₃NH₃PbBr₃(I₃):GO с содержанием GO в пределах 1–3 мас. %. Отметим, что многоразовый эффект переключения в пленках металлоорганических перовскитов наблюдался как на постоянном токе [13], так и в импульсном режиме [14], при этом отмечались хорошая стабильность на воздухе и повторяемость результатов. В настоящее время нами также проводятся исследования многократного эффекта переключения в мемристорных устройствах на основе композитов металлоорганических перовскитов с частицами GO, что позволяет достигать многократной записи информации в таких структурах. Эффект переключения в пленках CH₃NH₃PbBr₃:GO во многом напоминает характер переключения в композитных пленках полимеров (PVK, PFD и PVC) с частицами оксида графена, исследованных в [15]. Что касается композитных пленок на основе другого, более узкозонного металлоорганического перовскита и частиц GO (CH₃NH₃PbI₃:GO), то в таких структурах эффект переключения также наблюдался в темноте. Однако, как видно из рис. 5е–5з, при освещении имитатором солнечного света ВАХ пленок CH₃NH₃PbI₃:GO демонстрируют ярко выраженный эффект фотоиндуцированного переключения с отношением токов ~3 × 10³ при обратном смещении и эффект каскадного переключения при прямом смещении. Наблюдаемые различия в характере эффекта переключения могут быть связаны с меньшей шириной запрещенной зоны металлоорганического перовскита CH₃NH₃PbI₃ по сравнению с CH₃NH₃PbBr₃, что приводит к большей фоточувствительности и к эффекту фотоиндуцированного переключения в таких пленках. В ряде исследованных образцов также наблюдался эффект обратного переключения пленок CH₃NH₃PbI₃:GO в относительно низкопроводящее состояние.

Как известно, возбуждение синапсов, как и их моделирование мемристорными устройствами, носит импульсный характер. В этой связи интересным представляется понимание реакции описанных выше композитных пленок на импульсное возбуждение. На рис. 6 показаны ВАХ композитных пленок Au/PVK:Gr/ITO/PET, Au/PFD:Gr/ITO/PET (вставка на рис. 6) при подаче треугольного импульсного напряжения на ITO-Au-электроды [16]. Как видно из рис. 6, для всех исследованных образцов ВАХ при увеличении напряжения имеют S-образный вид. Переход из низко- в высокопроводящее состояние происходит при пороговых напряжениях V_T, различающихся по величине для различных типов полимерных пленок, при этом во всех случаях наблюдается резкое падение напряжения на образцах без существенного изменения протекающего через них тока, что может быть связано с эффектом шнурования тока. Пороговые напряжения переключения V_T составляют ~3–3.5, ~7–8 и ~15–16 В для композитных пленок PVK:Gr, PFD:Gr и PVC:GO соответственно. Сопротивление пленок после переключения меняется на порядок (т.е. в низкопроводящем состоянии ~200–500 кОм, а в высокопроводящем состоянии ~20–40 кОм). При уменьшении напряжения образцы, как правило, не возвращаются в низкопроводящее состояние, а остаются в состоянии с высокой проводимостью. Как видно из рис. 6, ВАХ пленки PVK:Gr, находящейся в высокопроводящем состоянии, имеет сверхлинейную зависимость в отличие от пленок PFD:Gr и PVC:GO, где наблюдаются линейные ВАХ. Изменения тока при переключении составляют ~0.2 мкА для образца PFD:Gr и ~5 мкА для образца PVC:GO, в то время как для пленки PVK:Gr изменение тока равно нулю. Наблюдаемые различия связаны с различными временами переключения образцов, которые составляют ~20, ~30 и ~4 мкс для пленок PFD:Gr, PVC:GO и PVK:Gr соответственно. Время переключения пленки PVK:Gr при периоде тактовой частоты счетчика 1 мкс составило ~1 мкс, что совпадает с выбранным периодом тактовой частоты счетчика. Повторная подача импульсов той же или обратной полярности на образцы не приводит к обратному переключению в низкопроводящее состояние, поэтому в исследованных композитных пленках наблюдается эффект одноразовой WORM-памяти.

Рис. 6.

ВАХ композитных пленок Au/PVK:Gr/ ITO/PET. На вставке: Au/PFD:Gr/ITO/PET при подаче треугольного импульса на ITO-Au-электроды.

Неустойчивости с S-образной ВАХ, наблюдаемые в пленках PVK:Gr и др., напоминают по своим характеристикам эффекты переключения, которые наблюдаются в халькогенидных стеклообразных полупроводниках (ХСП) [17]. Согласно модели [18] в случае ХСП эффект неустойчивости тока обусловлен электронно-тепловыми явлениями, протекающими в пленке в сильных электрических полях. При этом для возникновения неустойчивости с S-образной ВАХ необходима положительная обратная связь, которая устанавливается между процессами нагрева и увеличения тока в материале с активационной температурной зависимостью.

Эффекты переключения, аналогичные описанным выше эффектам переключения в сэндвич-структурах, наблюдались в полевых транзисторных структурах на основе PVK:GO в планарной геометрии (рис. 3в, 7) [19], а также в полевых транзисторных структурах на основе металлоорганических перовскитов с частицами GO (CH₃NH₃PbBr₃:GO) и в транзисторах на основе неорганических перовскитных нанокристаллов CsPbI₃. Как следует из рис. 7, результаты, полученные для таких структур, воспроизводимы и обратимы по напряжению, что позволяет реализовывать имитацию синапсов такими ячейками на основе композитных полевых транзисторных структур.

Рис. 7.

Эффект переключения в ВАХ полевого транзистора на основе PVK:GO при V_G = 0 В. Вставка 1 – гистерезис ВАХ полевого транзистора на основе PVK:GO при V_G = 0 В; вставка 2 – I_SD от V_SD при различных значениях V_G при V_SD > 10 В.

В дополнение к ВАХ на постоянном и импульсном токе были исследованы циклические ВАХ пленок PVK:Gr(GO) [20]. Установлено, что потенциал окислительно-восстановительного перехода Gr/(GO) соответствует интервалу напряжений, при которых происходит процесс переключения в композиционных PVK:Gr(GO)/ITO/PET-пленках с эффектом резистивного переключения (рис. 8а). При этом для чистого полимера PVK (без Gr и GO) таких особенностей ВАХ не наблюдается (рис. 8б). Это дает основание полагать, что возможный механизм резистивного переключения в исследованных композитных пленках связан именно с окислительно-восстановительными процессами в PVK:Gr(GO), а также с процессами захвата и накопления носителей заряда в частицах Gr(GO), введенных в матрицу полимера PVK. Можно предположить, что этот вывод справедлив и для композитных пленок полупроводниковых полимеров с другими оксидными материалами, например с ZnO.

Рис. 8.

Циклические ВАХ PVK:GO/ITO/PET в растворе 0.1 M TBAClO₄/AN в атмосфере N₂ при скорости сканирования 50 мВ/с (а); для PVK/ITO/PET в растворе 0.1 M TBAClO₄/AN в атмосфере N₂ (б).

По-видимому, моделирование синапсов возможно также с использованием фото- и светоизлучающих полевых транзисторов на основе композитных пленок полимеров, перовскитов и наночастиц оксидных материалов (GO, ZnO, CsPbBr₃) [21, 22]. Такие структуры перспективны для моделирования и передачи синаптических сигналов в искусственных нейронных сетях путем трансформации электрических импульсов в оптические и обратно, как было показано в [22] на примере светоизлучающих полевых транзисторов на основе полимерной матрицы MEH-PPV с внедренными в нее наночастицами неорганического перовскита CsPbBr₃ (рис. 9). Таким образом, в настоящее время исследование оптоэлектронных синаптических устройств на основе полимерных и перовскитных композитных мемристорных материалов является актуальным и бурно развивающимся направлением.

Рис. 9.

Зависимость импульсной электролюминесценции от импульсного напряжения для полевого светоизлучающего транзистора на основе MEH-PPV:CsPbBr₃ НК (1:1) при f = 1000 Гц при амплитуде импульсов V_SD = –30 В и длительности импульсов ~2 мкс (а); кинетика электролюминесценции для того же транзистора на основе MEH-PPV:CsPbBr₃ НК (1:1) композитной пленки при различных напряжениях V_SD, В: 1 = –10, 2 = –20, 3 = –25, 4 = –30 (б).

ОБСУЖДЕНИЕ

Для того чтобы имитировать синаптическую пластичность биологической нервной системы, в идеале синаптическая электроника малого и сверхмалого размера необходима в качестве основного компонента нейроморфных вычислительных систем [1–6]. При этом важнейшей задачей является исследование систем биологической памяти, а также моделирование ее структуры. Нейронная нейроморфная сеть состоит из массива взаимосвязанных пре-нейронов и пост-нейронов, а синаптическая пластичность, вызванная химической передачей сигнала, связана с разнообразием пост-нейронов и пре-нейронов (рис. 10). Химический синапс, состоящий из аксонов, синаптических пространств и дендритов, является функциональным соединителем, который позволяет нейронам передавать нейросигналы соседним нейронам. Синаптическая пластичность является решающим фактором для обретения и функционирования памяти, а также способности к самообучению. По длительности синаптическую пластичность можно разделить на кратковременную (кратковременное усиление и кратковременное торможение) и долговременную (длительное усиление и длительное торможение). Постоянное изменение силы синаптических связей играет жизненно важную роль в консолидации формирования прочной памяти. Создание и развитие искусственных синаптических устройств на основе RRAM имитируют зависимую от активности долгосрочную контролируемую синаптическую пластичность, что открывает путь к расширенному обмену информации, который будет способствовать дальнейшему развитию высокоинтегрированных маломощных запоминающих устройств. Основная особенность искусственных синаптических материалов – это реализация функций энергонезависимой памяти, включая многоуровневое хранение данных. Как показано в [19–22], с помощью оптоэлектронных синаптических устройств возможно моделирование ряда важных биологических синаптических функций, таких как краткосрочная пластичность, долговременная пластичность, пластичность, зависящая от времени спайков и спайк-рейтинга. Была продемонстрирована возможность моделирования синапсов с помощью материалов с эффектом резистивного переключения под действием электрического поля и света и мемристорных устройств на их основе. Несмотря на многообразие моделей, описывающих механизм резистивного переключения как в неорганических, так и в органических мемристорных структурах [10], этот механизм в исследованных композитных пленках PVK:Gr(GO) и CH₃NH₃PbBr₃(I₃):GO, вероятно, связан с окислительно-восстановительными процессами, захватом и накоплением носителей заряда в частицах Gr(GO), введенных в матрицу полимера PVK [21] или металлоорганического перовскита. Результаты исследований эффектов резистивного переключения в полимерных и металлоорганических перовскитных композитных (полимер–частицы Gr и GO, металлоорганический перовскит–частицы GO) мемристорных материалах и устройствах на их основе открывают перспективы их использования в качестве оптоэлектронных синаптических устройств в нейроморфных операциях.

Рис. 10.

Схема регулирования синаптической пластичности от пресинаптических нейронов к постсинаптическим нейронам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованы эффекты резистивного переключения в полимерных и металлоорганических перовскитных композитных (органика–неорганика) мемристорных материалах – пленках PVК (PFD, PVC):GO (Gr) и CH₃NH₃PbBr₃(I₃):GO. Показано, что включение в матрицы полимеров и металлоoрганических перовскитов частиц графена и оксида графена приводит к эффекту переключения и памяти в таких мемристорных материалах и устройствах. Полученные результаты демонстрируют возможности использования таких материалов для создания энергонезависимых ячеек RRAM, а также оптоэлектронных синаптических устройств с электрическим и оптическим стимулированием для осуществления нейроморфных операций. Разработка и исследование свойств таких мемристорных материалов и устройств позволят реализовать крупномасштабное развертывание нейроморфных вычислительных операций в рамках искусственных нейронных сетей.