Prediction of neuronal functionality of asymmetric ferroelectric tunneling junction with coupled polarization and thermal dynamics

神经形态工程学 记忆电阻器 铁电性 计算机科学 人工神经网络 尖峰神经网络 材料科学 电子工程 光电子学 人工智能 工程类 电介质
作者
Zhenxun Tang,Linjie Liu,Jianyuan Zhang,Weijin Chen,Yue Zheng
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:137 (2)
标识
DOI:10.1063/5.0239947
摘要

The performance of neuromorphic computing (NC) in executing data-intensive artificial intelligence tasks relies on hardware network structure and information processing behavior mimicking neural networks in the human brain. The functionalities of synapses and neurons, the key components in neural networks, have been widely pursued in memristor systems. Nevertheless, the realization of neuronal functionalities in a single memristor remains challenging. By theoretical modeling, here we propose asymmetric ferroelectric tunneling junction (AFTJ) as a potential platform to realize neuronal functionalities. The volatility, a necessary property for a memristor to implement a neuron device, is enhanced by the co-effect of polarization asymmetry and Joule heating. The simulated polarization reversal dynamics of the AFTJ memristor under trains of electric pulses reproduces the leaky integrate-and-fire functionality of spiking neurons. Interestingly, multiple spiking behaviors are found by modulating the pulse width and interval of trains of electric pulses, which has not yet been reported in ferroelectric neuron. The influences of several key factors on the neuronal functionalities of AFTJ are further discussed. Our study provides a novel design scheme for ferroelectric neuron devices and inspires further explorations of ferroelectric devices in neuromorphic computing.
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