Metaplasticity and Reservoir Computing in Bio‐Realistic Artificial Synapses with Embedded Localized Au‐Nanoparticle‐Based Memristors

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作者
Chandreswar Mahata,Gimun Kim,Hyojin So,Muhammad Ismail,Chih‐Chieh Hsu,Sungjoon Kim,Sungjun Kim
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202416862
摘要

Abstract This research reports on the control of short‐term and long‐term memory in transition metal oxides embedded with localized gold nanoparticles (Au‐NPs). The HfTiO x /TiSiO x switching layer, after the orderly and uniform insertion of Au‐NPs, demonstrates uniform cycle‐to‐cycle DC switching with an ON–OFF ratio >10. Stable low‐resistance states (LRS) and high‐resistance state (HRS) are maintained up to 10 4 s with multilevel memory characteristics due to the control of oxygen vacancy concentrations. The localized Au‐NPs enhance the local electric field near the HfTiO x /Au‐NP interface, forming controlled conductive filaments, while the high concentration of oxygen vacancies creates a permanent conduction path inside TiSiO x after the electroforming process. The ITO/HfTiO x /Au‐NP/TiSiO x /TaN memristor exhibits stable, controllable gradual bipolar switching and mimics several biological memory functions, including pulse‐width‐dependent plasticity, spike‐timing‐dependent plasticity, pulse‐frequency‐dependent plasticity, and experience‐dependent plasticity. Additionally, a performance of 50k SET/RESET cycles without any significant degradation is achieved and the facilitation of long‐term potentiation/depression are demonstrated. With the help of controlled oxygen vacancy generation on the surface of Au‐NP inside the HfTiO x /TiSiO x switching layer, the memristor can emulate metaplasticity. Evaluation of a reservoir computing system utilizing the volatile switching of the memristor shows efficient processing of temporal data information which is essential for neuromorphic systems.
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