強誘電体酸化物の巨大抵抗変化を利用して脳型素子を実現~強誘電体の電気分極を用いてシナプスの機能を模倣する~

2025-09-09 東京大学

東京大学の研究グループは、強誘電体チタン酸鉛(PbTiO₃)の高品質単結晶薄膜に酸素欠損を導入し、巨大な抵抗変化を示す新型メモリスタ素子を開発した。従来のPbTiO₃は絶縁性が強く電流が流れにくいが、欠損導入により半導体的伝導と抵抗スイッチング特性が出現、オン/オフ比は10⁵と報告例で最高水準を達成した。素子は安定性が高く、繰り返し動作や環境変化でも性能を維持する。さらに、この素子はシナプスの学習・忘却機能を模倣でき、スパイクタイミング依存可塑性も再現。画像認識実験では誤差逆伝播法で92%、畳み込みニューラルネットワークで96%という高精度を示した。これらの成果はニューロモルフィックデバイス実用化の大きな一歩であり、次世代AIチップの中核素子として応用が期待される。成果は『Advanced Functional Materials』に掲載された。

強誘電体酸化物の巨大抵抗変化を利用して脳型素子を実現~強誘電体の電気分極を用いてシナプスの機能を模倣する~
(a) PbTiO3薄膜の電圧電流特性とそのニューラルネットワークへの応用。(b) 理想的なニューラルネットワークおよび(c) PbTiO3メモリスタにおける画像認識実験の混合行列。

<関連情報>

単結晶PbTiO3強誘電性メムリストにおけるスイッチング性能向上:シナプス可塑性の再現に向けて Enhanced Switching Performance in Single-Crystalline PbTiO3 Ferroelectric Memristors for Replicating Synaptic Plasticity

Haining Li, Zhiqiang Liao, Risa Kataoka, Md Sarker Shamim, Takeshi Kijima, Hiroyasu Yamahara, Hitoshi Tabata, Munetoshi Seki
Advanced Functional Materials  Published: 04 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.202510715

Abstract

A large ON/OFF ratio in a memristor provides reliable state distinction, enabling precise weight updates to emulate synaptic plasticity. A well-reproduced ferroelectric polarization in the perovskite oxide single layer obtained by growing high-quality single crystals plays an important role in elevating the ON/OFF ratio. Herein, a single-crystalline PbTiO3-based ferroelectric memristor is demonstrated, and structural investigations confirm its extremely sharp interface, well-ordered lattice structure, and epitaxial growth. Pt/PbTiO3/Nb:SrTiO3 metal–ferroelectric–semiconductor memristors exhibit promising resistive switching properties, including high repeatability, good endurance, long retention, and a larger ON/OFF ratio >105 (stable over 1200 for retention), which is larger than that of most single-layer BaTiO3 and BiFeO3 memristors. PbTiO3-based memristors effectively mimic key synaptic plasticity, including spike-amplitude-dependent plasticity, paired-pulse facilitation/depression, spike-rate-dependent plasticity, short-term memory, transition from short-term memory to long-term memory, long-term memory, and spike-timing-dependent plasticity. These have been systematically investigated based on stable pulse training on resistance modulations. Simulations of neuromorphic computing for different neuron network structures achieved pattern recognition rates of approximately 92%–96%, indicating high accuracy and versatility. This paper introduces an effective and straightforward strategy for enhancing the ON/OFF ratio of ferroelectric PbTiO3 memristors, reinforcing their potential for use in hardware-based neural networks.

0403電子応用
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