Defect-Driven Neuromorphic Plasticity in Planar ZnO Optoelectronic Synapses

神经形态工程学 材料科学 突触 平面的 可塑性 光电子学 突触重量 突触可塑性 长时程增强 纳米尺度 纳米技术 神经可塑性 计算机科学 神经促进 峰值时间相关塑性 光电流 光电导性 记忆电阻器 钥匙(锁) 电子工程 变质塑性 促进 工作(物理) 人工神经网络 晶体管 电压
作者
Zhiyuan Ren,S L Wang,Bingheng Meng,Huan Liu,Qing An,Longxing Su,Rui Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 6191-6199
标识
DOI:10.1021/acsami.5c21253
摘要

Understanding how atomic-scale defect dynamics influence system-level neuromorphic behavior is crucial for the rational design of oxide-based optoelectronic synapses. In this study, a planar ZnO synapse has been introduced where the nanosecond-scale oxygen-vacancy carrier lifetime is directly linked to second-scale persistent photoconductivity (PPC) decay and key synaptic plasticity parameters. By combining steady-state and time-resolved spectroscopies with electrical measurements, a dynamic framework that spans multiple time scales has been developed: long-lived defect states slow PPC decay, which in turn regulates paired-pulse facilitation retention and the efficiency of short-to-long-term plasticity transitions. This framework allows for predictive tuning of the synaptic weight by controlling defect occupation and release kinetics. The optimized ZnO synapse operating at 0.1 V demonstrates robust long-term potentiation and achieves 90.8% recognition accuracy in handwritten digit recognition. This work presents a cross-time scale design strategy that bridges atomic-level defect engineering with neuromorphic system performance, paving a route toward artificial vision hardware.
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