Forming-Free Multilevel Resistive Switching in a ZnO@β-SiC Composite for Neuromorphic Computing
Commutation résistive multiniveau sans formation dans un composite ZnO@β-SiC pour le calcul neuromorphique
Résumé
Recent attention has focused on developing artificial synaptic devices for in-memory computing, aiming for long-term device stability, low power consumption, and high performance. Oxides and perovskites have been explored in this context to address limitations of the Von Neumann architecture. However, these materials face individual constraints that hinder their full potential. This study introduces a unique approach using ZnO@β-SiC composite for low-power, high-performance, and forming-free bipolar resistive switching devices. Notably, these devices exhibit switching from high to low resistance states at very low voltage of ~100 mV with a rapid ~40/50 ns set/reset response time and consume very low power ~100 W. Chemical and microstructure analyses reveal Zn2SiO4 nanocrystals embedded in an amorphous layer, and it is found to be suitable for enhancing device stability over 104 cycles with ~104 sec retention. The phenomenon is explained by the formation and dissolution of electrons, oxygen vacancy, zinc vacancy as well as metal cations driven conductive filaments. Moreover, the devices effectively replicate versatile synaptic functions such as excitatory post-synaptic current, pair pulse facilitation, potentiation/depression, long-term memory/short-term memory, and learning/forgetting behavior. This work thus presents a promising avenue for sustainable development of artificial intelligence through in-memory neuromorphic computing.
L'attention récente s'est portée sur le développement de dispositifs synaptiques artificiels pour le calcul en mémoire, visant une stabilité à long terme, une faible consommation d'énergie et des performances élevées. Les oxydes et les perovskites ont été explorés dans ce contexte pour répondre aux limites de l'architecture Von Neumann. Cependant, ces matériaux sont confrontés à des contraintes individuelles qui entravent leur plein potentiel. Cette étude présente une approche unique utilisant le composite ZnO@β-SiC pour les dispositifs de commutation résistifs bipolaires à faible consommation, à hautes performances et sans formation. Notamment, ces dispositifs présentent une commutation d'états de résistance élevée à faible à très basse tension d'environ 100 mV avec un temps de réponse rapide de réglage/réinitialisation d'environ 40/50 ns et consomment très peu d'énergie d'environ 100 W. Les analyses chimiques et de microstructure révèlent des nanocristaux de Zn2SiO4 intégrés dans une couche amorphe, et il s'avère qu'il convient pour améliorer la stabilité du dispositif sur 104 cycles avec une rétention d'environ 104 secondes. Le phénomène s'explique par la formation et la dissolution d'électrons, la lacune d'oxygène, la lacune de zinc ainsi que les filaments conducteurs entraînés par des cations métalliques. De plus, les dispositifs reproduisent efficacement des fonctions synaptiques polyvalentes telles que le courant post-synaptique excitateur, la facilitation des impulsions de paires, la potentialisation/dépression, la mémoire à long terme/à court terme et le comportement d'apprentissage/oubli. Ce travail présente ainsi une voie prometteuse pour le développement durable de l'intelligence artificielle grâce à l'informatique neuromorphique en mémoire.
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