近期，物理学院郑立梅教授团队在铁电隧道结人工神经突触及其人工神经形态计算应用研究中取得新进展，相关成果发表在Advanced Materials和Materials Horizons期刊上。
进展一：大脑具有强大的信息处理能力，包括多种模式信息的感知、处理及时间、空间信息相关的学习能力等。这些功能的实现，依赖于多样化的突触可塑性机制。其中，长时程突触可塑性被认为是学习和记忆的基础，而短时程突触可塑性则有助于时序信息的处理和适应性行为的产生。突触可塑性在多个时间尺度上的共存，赋予了生物神经系统强大的适应性。在人工突触器件的设计中，如何将长时和短时可塑性有效地整合到同一器件中，并通过它们的相互作用实现自适应长时可塑性，对模拟视觉皮层的时空学习功能具有重要意义。
近日，郑立梅教授团队成功研发了一种具有高度生物拟真性的铁电隧道结的人工神经突触器件，该器件结合氧空位迁移和铁电极化翻转两种阻变机制，在单一器件中同时实现了具有双向弛豫特性的短期可塑性和具有自适应特性的长时可塑性。基于该器件的双向弛豫特性，通过不同极性的电压对视觉和听觉感官信息进行编码，成功实现了语音和图片两种信息模式的识别任务；基于该器件独特的自适应长期可塑性，成功模拟了视觉皮层的方位识别和运动检测功能。该研究成果以“An Adaptive Solid-state Synapse with Bi-directional Relaxation for Multimodal Recognition and Spatio-temporal Learning”为题发表在《Advanced Materials》期刊上。物理学院郑立梅教授为论文通讯作者，硕士研究生聂仿为论文第一作者。齐鲁工业大学赵乐博士、英国巴斯大学Alain Nogaret教授、颜世申教授为共同通讯作者，哈尔滨工业大学博士研究生房红和王杰为共同第一作者。物理学院为第一论文单位。
图1 基于铁电隧道结忆阻器实现多模式识别和时空学习
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412006
进展二：在纳米尺度下，铁电材料展现出复杂的拓扑结构，这些结构不仅为物理现象的多样性提供了新的视角，还为新型电子器件的设计和功能化奠定了基础。近年来，拓扑结构（如通量闭合、涡旋、中心畴等）成为信息存储、能量转换和逻辑器件等领域的研究热点。其中，铁电纳米岛因其在有限空间内表现出丰富的拓扑结构而受到广泛关注。然而，目前的研究主要局限于菱面体BiFeO3材料，对非菱面体结构材料中类似拓扑状态的探索以及这种策略的普适性仍有待验证。
郑立梅教授团队成功在四方结构的PbTiO3（PTO）纳米岛中构建了极化拓扑结构，并通过电场和机械力实现了对这些拓扑结构的可逆调控。研究团队在低氧压下，利用脉冲激光沉积技术在Nb:SrTiO3衬底上制备了自组装的PTO纳米岛，与传统的光刻技术相比，自组装方法简化了制备过程，最大限度地减少了制造过程中的薄膜损伤，并降低了成本。通过相场模拟揭示了自由电荷的聚集和重新分布在拓扑结构形成和调控中的关键作用。这些发现不仅验证了在普适铁电材料中构建拓扑结构的可行性，还展示了其在高密度非易失性存储器件中的巨大潜力。相关研究成果以“Polar topology in self-assembled PbTiO3ferroelectric nano-islands”为题发表在Materials Horizons期刊上。山东大学郑立梅教授、宋克鹏研究员、哈尔滨工业大学吕伟明教授为该论文的通讯作者，哈尔滨工业大学博士生王杰和哈尔滨师范大学杨超老师为该论文的第一作者。
图2 铁电PTO纳米岛的PFM图像和3D极化矢量图
论文链接：https://doi.org/10.1039/D4MH01728E
结构成分与物性测量平台为相关研究提供了重要技术支撑：高分辨X射线衍射仪支撑了晶体的物相结构表征；针尖增强拉曼测试系统的压电力显微镜支撑了晶体的微观电畴观测。
结构成分与物性测量平台的高分辨X射线衍射仪功能开发完备，可以提供包括衍射（2θ：3°-150°，广角5°起测，小角3°起测）、掠入射衍射（2θ：3°-90°）、X射线反射率（拟合膜厚）、残余应力、极图，摇摆曲线、RSM、原位变温测试(25-800℃)等测试分析。针尖增强拉曼测试系统的MFP-3D Origin+压电力显微镜具备牛津专利技术DART（双频共振追踪）从而可以出色的完成压电力显微镜PFM测试，包括面内、面外振幅和相位图扫描；面外litho写畴、极化反翻转谱SSPFM测试。配有零下20-120℃，室温-300摄氏度两个热台及外加磁场模块，可以实现原位测试。预约测试请联系：18615541980（物理学院蒯伟杰老师）
图3 高分辨x射线衍射仪
仪器存放地点：中心校区知新楼c41
图4 针尖增强拉曼测试系统的压电力显微镜
仪器存放地点：中心校区生北楼119
