По мере того как искусственный интеллект все больше внедряется в периферийные устройства, исследователи изучают электронные компоненты, которые могут сочетать в себе функции памяти и обработки информации. Мемристивные и синаптические устройства представляют особый интерес, поскольку их электрическая проводимость может сохранять информацию о предыдущих входных сигналах, обеспечивая физическую основу для вычислений.
Исследователи из Токийского университета изучили другой способ управления памятью в двумерном полупроводниковом устройстве. Вместо того чтобы вводить переключающий материал по всему каналу, исследователи выборочно модифицировали электрические контакты планарного мемтранзистора MoS₂ с помощью обработки раствором AuCl₃.
Статья опубликована в журнале ACS Nano.
Контактная обработка изменяет электронную среду, в которой металлический электрод взаимодействует с MoS₂. Измерения показывают, что захват и высвобождение заряда на этом интерфейсе динамически изменяют эффективный барьер Шоттки, который контролирует инжекцию носителей заряда. Этот межфазный механизм обеспечивает плавное биполярное резистивное переключение, практически не затрагивая собственный канал MoS₂.
Электрические измерения, зависящие от температуры, подтвердили механизм переноса с ограничением по контактам. Извлеченная эффективная высота барьера Шоттки увеличилась примерно с 40,8 мэВ в исходном устройстве до примерно 196 мэВ после обработки AuCl₃. Для изучения материальных и химических изменений, связанных с модифицированной поверхностью, использовались рамановская спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и атомно-силовая микроскопия.
Затем исследователи проверили, может ли та же динамика, управляемая контактами, воспроизводить функции, связанные с биологическими синапсами.
При импульсной стимуляции напряжением на стоке устройство демонстрировало постепенную долговременную потенциацию и депрессию, пластичность, зависящую от амплитуды спайков, и изменения проводимости, зависящие от времени. Реакция на парные импульсы содержала как более быстрые, так и более медленные временные компоненты, что соответствовало более чем одному характерному процессу релаксации заряда на границе раздела.
Чтобы изучить возможность применения устройства, зависящего от временной информации, команда использовала устройство на основе MoS₂ в качестве физического резервуара для обработки сигналов ЭКГ. Один мемтранзистор, а не физический массив устройств, работал с 10 виртуальными узлами, мультиплексированными по времени. В исследовании использовались 23 818 сегментов сердечных сокращений из базы данных аритмий Массачусетского технологического института и больницы Бригэма, из которых 19 053 сегмента были использованы для обучения, а 4765 — для тестирования.
При разделении на классы нормального и желудочкового эктопического сердцебиения анализ с использованием резервуарных вычислений показал площадь под кривой рабочих характеристик приемника 0,965 и общую точность классификации 93,9 %. Исследователи подчеркивают, что этот эксперимент является концептуальной демонстрацией временной обработки сигнала с использованием динамического отклика одного контактного устройства, а не клинической диагностической системы.
Поскольку механизм переключения локализован на границе раздела металл — MoS₂, а обработка контактов может быть выполнена на этапе обработки в растворе, совместимом с изготовлением литографических устройств, эта работа открывает возможности для исследования планарных искусственных синаптических устройств с независимой адресацией. Для оценки крупномасштабной интеграции, долгосрочной надежности и совместимости с производством потребуются дальнейшие исследования.