金属卤化物钙钛矿实现生物启发的脉冲时序依赖可塑性学习：迈向人工突触功能

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Bio-Inspired Spike-Timing-Dependent Plasticity Learning with Metal Halide Perovskites: Toward Artificial Synaptic Functionality

这篇综述系统阐述了利用无铅金属卤化物钙钛矿（MHP）忆阻器实现脉冲时序依赖可塑性（STDP）的突破性进展。研究通过构建物理模型和电路仿真，证实Cs3Bi2I6Br3器件可模拟生物突触的时序学习规则（如长时程增强LTP/抑制LTD），并首次实现三重态STDP和噪声鲁棒性（变异<0.03%），为低功耗神经形态计算提供了新材料解决方案。

　　

引言：神经形态计算与突触可塑性的融合

大脑的学习与记忆能力驱动着神经科学与神经形态工程的交叉研究。脉冲时序依赖可塑性（STDP）作为突触可塑性的核心机制，通过前后突触脉冲的精确时序调节突触权重，是Hebbian学习的时间精细化体现。忆阻器的出现为硬件实现STDP提供了可能，其电阻历史依赖性可模拟生物突触的适应性行为。

金属卤化物钙钛矿忆阻器的优势

相较于传统二氧化钛（TiO₂）忆阻器，钙钛矿材料（ABX₃）具备高离子迁移率、可调电阻态和低温溶液加工性。无铅Cs₃Bi₂I₆Br₃的卤素阴离子（I^–/Br^–）迁移主导阻变动力学，而Cs⁺和Bi³⁺因晶格束缚迁移可忽略，使其在生物兼容性和环境稳定性上显著优于铅基钙钛矿。

器件制备与表征

研究采用ITO/Cs₃Bi_{26Br3/Ag结构，通过旋涂法制备400纳米厚薄膜。X射线衍射（XRD）确认其三方晶系（P3?m1）结构，原子力显微镜（AFM）显示表面粗糙度（Rq）为9.59纳米。电学测试表明器件具备双极阻变特性：SET过程发生于+1.0 V（高阻态HRS→低阻态LRS），RESET发生于-1.5 V，开关比达2.67×10³，且在60%湿度下保持7天稳定性。}

物理模型与STDP实现

基于Chua理论的忆阻器模型通过Verilog-A实现，关键参数包括阈值电压_th=0 V、弛豫时间τ_max=500秒。当突触前后脉冲电压差_tot=_mem-pos-_mem-pre超过阈值时，器件电流呈指数增长，积分后得到STDP曲线：ΔT>0时突触权重增强（LTP），ΔT<0时减弱（LTD），时间窗口约40毫秒，与生物实验一致。

高级学习规则与鲁棒性验证

除经典STDP外，器件支持三重态STDP：前-后-前脉冲序列引发累积增强，后-前-后序列导致抑制。在重复脉冲配对（ΔT=1毫秒）中，突触权重经10次试验后饱和，模拟生物记忆巩固。加入10毫伏噪声的100次试验中，权重变异<0.03%，证明其抗干扰能力。频率实验显示500赫兹以上脉冲可强化LTP，凸显频率依赖性可塑性。

结论与展望

Cs₃Bi₂I₆Br₃忆阻器通过离子迁移机制实现了生物可信的STDP学习，为构建CMOS兼容的神经形态芯片提供了新材料平台。未来工作将聚焦于大规模突触阵列集成和脉冲神经网络（SNN）应用。