Neuromorphic computing has the potential to accelerate high performance parallel and low power in-memory computation, artificial intelligence, and adaptive learning. Despite emulating the basic functions of biological synapses well, the existing artificial electronic synaptic devices have yet to match the softness, robustness, and ultralow power consumption of the brain. Here, we demonstrate an all-inorganic flexible artificial synapse enabled by a ferroelectric field effect transistor based on mica. The device not only exhibits excellent electrical pulse modulated conductance updating for synaptic functions but also shows remarkable mechanical flexibility and high temperature reliability, making robust neuromorphic computation possible under external disturbances such as stress and heating. Based on its linear, repeatable, and stable long-term plasticity, we simulate an artificial neural network for the Modified National Institute of Standards and Technology handwritten digit recognition with an accuracy of 94.4%. This work provides a promising way to enable flexible, low-power, robust, and highly efficient neuromorphic computation that mimics the brain.

1.
G. E.
Moore
,
Electronics
57
,
114
117
(
1965
).
2.
M.
Horowitz
, in
IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC)
(
2014
), pp.
10
14
.
3.
M. M.
Waldrop
, “
The chips are down for Moore's law
,”
Nature
530
,
144
(
2016
).
4.
P. A.
Merolla
,
J. V.
Arthur
,
R.
Alvarez-Icaza
,
A. S.
Cassidy
,
J.
Sawade
,
F.
Akopyan
,
B. L.
Jackson
,
N.
Iman
,
C.
Guo
,
Y.
Nakamura
,
B.
Brezzo
,
I.
Vo
,
S. K.
Esser
,
R.
Appuswamy
,
B.
Taba
,
A.
Amir
,
M. D.
Flickner
,
W. P.
Risk
,
R.
Manohar
, and
D. S.
Modha
,
Science
345
,
668
673
(
2014
).
5.
D.
Silver
,
A.
Huang
,
C. J.
Maddison
,
A.
Guez
,
L.
Sifre
,
G.
Driessche
,
J.
Schrittwieser
,
I.
Antonoglou
,
V.
Panneershelvam
,
M.
Lanctot
,
S.
Dieleman
,
D.
Grewe
,
J.
Nham
,
N.
Kalchbrenner
,
I.
Sutskever
,
T.
Lillicrap
,
M.
Leach
,
K.
Kavukcuogk
,
T.
Grapel
, and
D.
Hassabis
,
Nature
529
,
484
(
2016
).
6.
X. B.
Yan
,
J. J.
Wang
,
M. L.
Zhao
,
X. Y.
Li
,
H.
Wang
,
L.
Zhang
,
C.
Lu
, and
D. L.
Ren
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
013503
(
2018
).
7.
K.
Hirakawa
,
K.
Hashizume
, and
T.
Hayashi
,
No To Shinkei
33
,
1057
1065
(
1981
).
8.
K.
Roy
,
A.
Jaiswal
, and
P.
Panda
,
Nature
575
,
607
617
(
2019
).
9.
Y.
LeCun
,
Y.
Bengio
, and
G.
Hinton
,
Nature
521
,
436
(
2015
).
10.
N.
Qiao
,
H.
Mostafa
,
F.
Corradi
,
M.
Osswald
,
F.
Stefanini
,
D.
Sumislawska
, and
G.
Indiveri
,
Front. Neurosci.
9
,
141
(
2015
).
11.
J. S.
Tang
,
F.
Yuan
,
X. K.
Shen
,
Z. R.
Wang
,
M. Y.
Rao
,
Y. Y.
He
,
Y. H.
Sun
,
X. Y.
Li
,
W. B.
Zhang
,
Y. J.
Li
,
B.
Gao
,
H.
Qian
,
G. Q.
Bi
,
S.
Song
,
J. J.
Yang
, and
H. Q.
Wu
,
Adv. Mater.
31
,
1902761
(
2019
).
12.
S. H.
Jo
,
T.
Chang
,
I.
Ebong
,
B. B.
Bhadviya
,
P.
Mazumder
, and
W.
Lu
,
Nano Lett.
10
,
1297
1301
(
2010
).
13.
Y. S.
Zhang
,
S.
Zhong
,
L.
Song
,
X. L.
Ji
, and
R.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
203102
(
2018
).
14.
S. L.
Dai
,
Y. W.
Zhao
,
Y.
Wang
,
J. Y.
Zhang
,
L.
Fang
,
S.
Jin
,
Y. L.
Shao
, and
J.
Huang
,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1903700
(
2019
).
15.
W.
Chung
,
M. W.
Si
, and
D. Y.
Peide
, in
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
2018
), pp.
15.12.11
15.12.14
.
16.
P.
Yao
,
H. Q.
Wu
,
B.
Gao
,
S. B.
Eryilmaz
,
X. Y.
Huang
,
W. Q.
Zhang
,
Q. T.
Zhang
,
N.
Deng
,
L. P.
Shi
,
H.-S. P.
Wong
, and
H.
Qian
,
Nat. Commun.
8
,
15199
(
2017
).
17.
P.
Yao
,
H. Q.
Wu
,
B.
Gao
,
J. S.
Tang
,
Q. T.
Zhang
,
W. Q.
Zhang
,
J. J.
Yang
, and
H.
Qian
,
Nature
577
,
641
646
(
2020
).
18.
M.
Jerry
,
P.-Y.
Chen
,
J. C.
Zhang
,
P.
Sharma
,
K.
Ni
,
S. M.
Yu
, and
S.
Datta
, in
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
2017
), pp.
6.2.1
6.2.4
.
19.
S.
Park
,
A.
Sheri
,
J.
Kim
,
J.
Noh
,
J.
Jang
,
M.
Jeon
,
B.
Lee
,
B. R.
Lee
,
B. H.
Lee
, and
H.
Hwang
, in
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
2013
), pp.
25.6.1
25.6.4
.
20.
M.
Prezioso
,
F.
Merrikh-Bayat
,
B. D.
Hoskins
,
G. C.
Adam
,
K. K.
Likharev
, and
D. B.
Strukov
,
Nature
521
,
61
(
2015
).
21.
Y.
Zhang
,
X. P.
Wang
, and
E. G.
Friedman
,
IEEE Trans. Circuits Syst. I
65
,
677
686
(
2018
).
22.
H. J.
Song
,
J. B.
Wang
,
X. L.
Zhong
,
J. J.
Cheng
, and
G. K.
Zhong
,
RSC Adv.
4
,
50891
50896
(
2014
).
23.
H.-S. P.
Wong
,
S. B.
Kim
,
J.
Liang
,
J. P.
Reifenberg
,
M.
Asheghi
, and
K.
Goodson
,
Proc. IEEE
98
,
2201
2227
(
2010
).
24.
K.
Ren
,
R. H.
Li
,
X.
Chen
,
Y.
Wang
,
J. B.
Shen
,
M. J.
Xia
,
S. L.
Lv
,
Z. G.
Ji
, and
Z. T.
Song
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
073106
(
2018
).
25.
T.
Tuma
,
A.
Pantazi
,
M.
Le Gallo
,
A.
Sebastian
, and
E.
Eleftheriou
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
693
(
2016
).
26.
J.
Torrejon
,
M.
Riou
,
F. A.
Araujo
,
S.
Tsunegi
,
G.
Khalsa
,
D.
Querlioz
,
P.
Bortolotti
,
V.
Cros
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
S.
Yuasa
,
M. D.
Stiles
, and
J.
Grollier
,
Nature
547
,
428
(
2017
).
27.
J. M.
Zhou
,
C. J.
Wan
,
L. Q.
Zhu
,
Y.
Shi
, and
Q.
Wan
,
IEEE Electron Device Lett.
34
,
1433
1435
(
2013
).
28.
S.
Desbief
,
M.
Lauro
,
S.
Casalini
,
D.
Guerin
,
S.
Tortorella
,
M.
Barbalinardo
,
A.
Kyndiah
,
M.
Murgia
,
T.
Cramer
,
F.
Biscarini
, and
D.
Vuillaume
,
Org. Electron.
38
,
21
28
(
2016
).
29.
Y.
Van De Burgt
,
A.
Melianas
,
S. T.
Keene
,
G.
Malliaras
, and
A.
Salleo
,
Nat. Electron.
1
,
386
397
(
2018
).
30.
Y.
Wang
,
Z.
Lv
,
J.
Chen
,
Z.
Wang
,
Y.
Zhou
,
L.
Zhou
,
X.
Chen
, and
S.-T.
Han
,
Adv. Mater.
30
,
1802883
(
2018
).
31.
W.
Xu
,
S.-Y.
Min
,
H.
Hwang
, and
T.-W.
Lee
,
Sci. Adv.
2
,
e1501326
(
2016
).
32.
C. X.
Wu
,
T. W.
Kim
,
T. L.
Guo
,
F. S.
Li
,
D. U.
Lee
, and
J. J.
Yang
,
Adv. Mater.
29
,
1602890
(
2017
).
33.
T. Y.
Wang
,
Z. Y.
He
,
H.
Liu
,
L.
Chen
,
H.
Zhu
,
Q. Q.
Sun
,
S. J.
Ding
,
P.
Zhou
, and
D. W.
Zhang
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
37345
37352
(
2018
).
34.
K. L.
Yang
,
S. J.
Yuan
,
Y. X.
Huan
,
J.
Wang
,
L.
Tu
,
J. W.
Xu
,
Z.
Zou
,
Y. Q.
Zhan
,
L. R.
Zheng
, and
F.
Seoane
,
npj Flexible Electron.
2
,
1
9
(
2018
).
35.
Q. Z.
Liu
,
Y. H.
Liu
,
J.
Li
,
C.
Lau
,
F. Q.
Wu
,
A. Y.
Zhang
,
Z.
Li
,
M. R.
Chen
,
H. Y.
Fu
,
J.
Draper
,
X.
Cao
, and
C. W.
Zhou
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
16749
16757
(
2019
).
36.
J. K.
Li
,
C.
Ge
,
J. Y.
Du
,
C.
Wang
,
G. Z.
Yang
, and
K. J.
Jin
,
Adv. Mater.
32
,
1905764
(
2020
).
37.
M.
Si
,
Y.
Luo
,
W.
Chung
,
H.
Bae
,
D.
Zheng
,
J.
Li
,
J.
Qin
,
J.
Qiu
,
S.
Yu
, and
P. D.
Ye
, in
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
2019
), pp.
6.6.1
6.6.4
.
38.
L. Q.
Xiong
,
Y.
Chen
,
J.
Yu
,
W. M.
Xiong
,
X. Y.
Zhang
, and
Y.
Zheng
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
153107
(
2019
).
39.
M.
Seo
,
M.-H.
Kang
,
S.-B.
Jeon
,
H.
Bae
,
J.
Hur
,
B. C.
Jang
,
S.
Yun
,
S.
Cho
,
W.-K.
Kim
,
M.-S.
Kim
,
K.-M.
Hwang
,
S.
Hong
,
S.-Y.
Choi
, and
Y.-K.
Choi
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
1445
1448
(
2018
).
40.
C.
Ma
,
Z.
Luo
,
W. C.
Huang
,
L. T.
Zhao
,
Q. L.
Chen
,
Y.
Lin
,
X.
Liu
,
Z. W.
Chen
,
C. C.
Liu
,
H. Y.
Sun
,
X.
Jin
,
Y. W.
Yin
, and
X. G.
Li
,
Nat. Commun.
11
,
1
9
(
2020
).
41.
Z. D.
Luo
,
X.
Xia
,
M. M.
Yang
,
N. R.
Wilson
,
A.
Gruverman
, and
M.
Alexe
,
ACS Nano
14
,
746
754
(
2020
).
42.
M.
Halter
,
L.
Bégon-Lours
,
V.
Bragaglia
,
M.
Sousa
,
B. J.
Offrein
,
S.
Abel
,
M.
Luisier
, and
J.
Fompeyrine
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
17725
17732
(
2020
).
43.
Y.
Fang
,
J.
Gomez
,
Z.
Wang
,
S.
Datta
,
A. I.
Khan
, and
A.
Raychowdhury
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1213
1216
(
2019
).
44.
G. K.
Zhong
and
J. Y.
Li
,
J. Materiomics
6
,
455
457
(
2020
).
45.
C. L.
Ren
,
G. K.
Zhong
,
Q.
Xiao
,
C. B.
Tan
,
M.
Feng
,
X. L.
Zhong
,
F.
An
,
J. B.
Wang
,
M. F.
Zi
,
M. K.
Tang
,
Y.
Tang
,
T. T.
Jia
, and
J. Y.
Li
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
1906131
(
2020
).
46.
K. J.
Nomura
,
H.
Ohta
,
K.
Ueda
,
T.
Kamiya
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Science
300
,
1269
1272
(
2003
).
47.
K. J.
Nomura
,
H.
Ohta
,
A.
Takagi
,
T.
Kamiya
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Nature
432
,
488
492
(
2004
).
48.
J.
Lee
and
C. H.
Choi
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
3380
(
1998
).
49.
Y.
Zhou
,
C.
Wang
,
X. J.
Lou
,
S. L.
Tian
,
X. K.
Yao
,
C.
Ge
,
E. J.
Guo
,
M.
He
,
G. Z.
Yang
, and
K. J.
Jin
,
ACS Appl. Electron. Mater.
1
,
2701
2707
(
2019
).
50.
S.
Oh
,
T.
Kim
,
M.
Kwak
,
J.
Song
,
J.
Woo
,
S.
Jeon
,
I. K.
Yoo
, and
H.
Hwang
,
IEEE Electron Device Lett.
38
,
732
735
(
2017
).
51.
M.
Ueda
,
Y.
Kaneko
,
Y.
Nishitani
,
T.
Morie
, and
E.
Fujii
, in
70th IEEE Device Research Conference
(
2012
), pp.
275
276
.
52.
53.
M.-K.
Kim
and
J.-S.
Lee
,
Nano Lett.
19
,
2044
2050
(
2019
).
54.
Y.
LeCun
,
L.
Bottou
,
Y.
Bengio
, and
P.
Haffner
,
Proc. IEEE
86
,
2278
2324
(
1998
).
55.
Y.
Zhang
,
Y.
Li
,
X. P.
Wang
, and
E. G.
Friedman
,
IEEE Trans. Electron Devices
64
,
1806
1811
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.