Electronic synaptic devices with photoelectric sensing function are becoming increasingly important in the development of neuromorphic computing system. Here, we present a photoelectrical synaptic system based on high-quality epitaxial Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) films in which the resistance ramp characteristic of the device provides the possibility to simulate synaptic behavior. The memristor with the Pt/BST/Nb:SrTiO3 structure exhibits reliable I–V characteristics and adjustable resistance modulation characteristics. The device can faithfully demonstrate synaptic functions, such as potentiation and depression, spike time-dependent plasticity, and paired pulse facilitation, and the recognition accuracy of handwritten digits was as high as 92.2%. Interestingly, the functions of visual perception, visual memory, and color recognition of the human eyes have also been realized based on the device. This work will provide a strong candidate for the neuromorphic computing hardware system of photoelectric synaptic devices.

1.
L.
Danial
,
E.
Pikhay
,
E.
Herbelin
,
N.
Wainstein
,
V.
Gupta
,
N.
Wald
,
Y.
Roizin
,
R.
Daniel
, and
S.
Kvatinsky
,
Nat. Electron.
2
,
596
(
2019
).
2.
E. J.
Fuller
,
S. T.
Keene
,
A.
Melianas
,
Z.
Wang
,
S.
Agarwal
,
Y.
Li
,
Y.
Tuchman
,
C. D.
James
,
M. J.
Marinella
,
J. J.
Yang
,
A.
Salleo
, and
A. A.
Talin
,
Science
364
,
570
(
2019
).
3.
S.
Mandal
,
A.
El-Amin
,
K.
Alexander
,
B.
Rajendran
, and
R.
Jha
,
Sci. Rep.
4
,
5333
(
2015
).
4.
J.-M.
Yang
,
E.-S.
Choi
,
S.-Y.
Kim
,
J.-H.
Kim
,
J.-H.
Park
, and
N.-G.
Park
,
Nanoscale
11
,
6453
(
2019
).
5.
R.
Waser
,
R.
Dittmann
,
G.
Staikov
, and
K.
Szot
,
Adv. Mater.
21
,
2632
(
2009
).
6.
Y.
Shen
,
N. C.
Harris
,
S.
Skirlo
,
M.
Prabhu
,
T.
Baehr-Jones
,
M.
Hochberg
,
X.
Sun
,
S.
Zhao
,
H.
Larochelle
,
D.
Englund
, and
M.
Soliacic
,
Nat. Photonics
11
,
441
(
2017
).
7.
J.
Kim
,
H. C.
Lee
,
K. H.
Kim
,
M. S.
Hwang
,
J. S.
Park
,
J. M.
Lee
,
J. P.
So
,
J. H.
Choi
,
S. H.
Kwon
,
C. J.
Barrelet
, and
H. G.
Park
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
963
(
2017
).
8.
B. Y.
Cui
,
Z.
Fan
,
W. J.
Li
,
Y. H.
Chen
,
S.
Dong
,
Z. W.
Tan
,
S. L.
Cheng
,
B.
Tian
,
R. Q.
Tao
,
G.
Tian
,
D. Y.
Chen
,
Z. P.
Hou
,
M. H.
Qin
,
M.
Zeng
,
X. B.
Lu
,
G. F.
Zhou
,
X. S.
Gao
, and
J. M.
Liu
,
Nat. Commun.
13
,
1707
(
2022
).
9.
S. L.
Cheng
,
Z.
Fan
,
J. J.
Rao
,
L. Q.
Hong
,
Q. C.
Huang
,
R. Q.
Tao
,
Z. P.
Hou
,
M. H.
Qin
,
M.
Zeng
,
X. B.
Lu
,
G. F.
Zhou
,
G. L.
Yuan
,
X. S.
Gao
, and
J. M.
Liu
,
iScience
23
,
101874
(
2020
).
10.
Y. C.
Chiang
,
C. C.
Hung
,
Y. C.
Lin
,
Y. C.
Chiu
,
T.
Isono
,
T.
Satoh
, and
W. C.
Chen
,
Adv. Mater.
32
,
1905508
(
2020
).
11.
X. H.
Wu
,
Y. L.
Chu
,
R.
Liu
,
H. E.
Katz
, and
J.
Huang
,
Adv. Sci.
4
,
1700442
(
2017
).
12.
J. L.
Shi
,
J. S.
Jie
,
W.
Deng
,
G.
Luo
,
X. C.
Fang
,
Y. L.
Xiao
,
Y. J.
Zhang
,
X. J.
Zhang
, and
X. H.
Zhang
,
Adv. Mater.
34
,
2200380
(
2022
).
13.
H. W.
Tan
,
G.
Liu
,
X. J.
Zhu
,
H. L.
Yang
,
B.
Chen
,
X. X.
Chen
,
J.
Shang
,
W. D.
Lu
,
Y. H.
Wu
, and
R. W.
Li
,
Adv. Mater.
27
,
2797
(
2015
).
14.
K.
Sun
,
J. S.
Chen
, and
X. B.
Yan
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2006773
(
2021
)
15.
F. C.
Zhou
,
Z.
Zhou
,
J. W.
Chen
,
T. H.
Choy
,
J. L.
Wang
,
N.
Zhang
,
Z. Y.
Lin
,
S. M.
Yu
,
J. F.
Kang
,
H. S. P.
Wong
, and
Y.
Chai
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
776
(
2019
).
16.
M.
Lee
,
W.
Lee
,
S.
Choi
,
J.
Jo
,
J.
Kim
,
S. K.
Park
, and
Y.
Kim
,
Adv. Mater.
29
,
1700951
(
2017
).
17.
S. C.
Qin
,
F. Q.
Wang
,
Y. J.
Liu
,
Q.
Wan
,
X. R.
Wang
,
Y. B.
Xu
,
Y.
Shi
,
X. M.
Wang
, and
R.
Zhang
,
2D Mater.
4
,
035022
(
2017
).
18.
Z. C.
Zhang
,
Y.
Li
,
J. J.
Wang
,
D. H.
Qi
,
B. W.
Yao
,
M. X.
Yu
,
X. D.
Chen
, and
T. B.
Lu
,
Nano Res.
14
,
4591
(
2021
).
19.
M. J.
Xu
,
T. F.
Xu
,
A. Q.
Yu
,
H. L.
Wang
,
H.
Wang
,
M.
Zubair
,
M.
Luo
,
C.
Shan
,
X. G.
Guo
,
F.
Wang
,
W. D.
Hu
, and
Y. M.
Zhu
,
Adv. Opt. Mater.
9
,
2100937
(
2021
).
20.
S.
Seo
,
S. H.
Jo
,
S.
Kim
,
J.
Shim
,
S.
Oh
,
J. H.
Kim
,
K.
Heo
,
J. W.
Choi
,
C.
Choi
,
S.
Oh
,
D.
Kuzum
,
H. S. P.
Wong
, and
J. H.
Park
,
Nat. Commun.
9
,
5106
(
2018
).
21.
W.
Chang
,
S. W.
Kirchoefer
,
J. M.
Pond
, and
J. S.
Horwitz
,
J. Appl. Phys.
92
,
1528
(
2002
).
22.
A.
Kozyrev
,
A.
Ivanov
,
T.
Samoilova
,
O.
Soldatenkov
, and
K.
Astafiev
,
J. Appl. Phys.
88
,
5334
(
2000
).
23.
K.
Nadaud
,
C.
Borderon
,
R.
Gillard
,
E.
Fournb
,
R.
Renoud
, and
H. W.
Gundel
,
Thin Solid Films
591
,
90
(
2015
).
24.
S.
Yamamichi
,
A.
Yamamichi
,
D.
Park
,
T. J.
King
, and
C.
Hu
,
IEEE Trans. Electron Devices
46
,
342
(
1999
).
25.
G. W.
Dietz
,
M.
Schumacher
,
R.
Waser
,
S. K.
Streiffer
,
C.
Basceri
, and
A. I.
Kingon
,
J. Appl. Phys.
82
,
2359
(
1997
).
26.
C. S.
Hwang
,
S. O.
Park
,
H.
Cho
,
C. S.
Kang
,
H.
Kang
,
S. I.
Lee
, and
M. Y.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
2819
(
1995
).
27.
S.
Ezhilvalavan
and
T. Y.
Tseng
,
Mater. Chem. Phys.
65
,
227
(
2000
).
28.
W.
Shen
,
R.
Dittmann
,
U.
Breuer
, and
R.
Waser
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
222102
(
2008
).
29.
R. R.
Cao
,
X. M.
Zhang
,
S.
Liu
,
J. K.
Lu
,
Y. Z.
Wang
,
H.
Jiang
,
Y.
Yang
,
Y. Z.
Sun
,
W.
Wei
,
J. L.
Wang
,
H.
Xu
,
Q. J.
Li
, and
Q.
Liu
,
Nat. Commun.
13
,
7018
(
2022
).
30.
X.
Yan
,
Y.
Li
,
J.
Zhao
,
Y.
Li
,
G.
Bai
, and
S.
Zhu
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
033108
(
2016
).
31.
A.
Thakre
and
A.
Kumar
,
AIP Adv.
7
,
125115
(
2017
).
32.
H. M.
Yau
,
Z.
Xi
,
X.
Chen
,
C. H.
Chan
,
Z.
Wen
, and
J. Y.
Dai
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
042905
(
2018
).
33.
X. B.
Yan
,
Y. D.
Xia
,
H. N.
Xu
,
X.
Gao
,
H. T.
Li
,
R.
Li
,
J.
Yin
, and
Z. G.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
833
(
2010
).
34.
Z.
Lv
,
Y.
Zhou
,
S. T.
Han
, and
V. A. L.
Roy
,
Mater. Today
21
,
537
(
2018
).
35.
G.
Liu
,
C.
Wang
,
W.
Zhang
,
L.
Pan
,
C.
Zhang
,
X.
Yang
,
F.
Fan
,
Y.
Chen
, and
R.-W.
Li
,
Adv. Electron. Mater.
2
,
1500298
(
2016
).
36.
R.
Yang
,
H. M.
Huang
,
Q. H.
Hong
,
X. B.
Yin
,
Z. H.
Tan
,
T.
Shi
,
Y. X.
Zhou
,
X. S.
Miao
,
X. P.
Wang
,
S. B.
Mi
,
C. L.
Jia
, and
X.
Guo
,
Adv. Funct. Mater.
5
,
28
(
2018
).
37.
V.
Saxena
,
X.
Wu
,
I.
Srivastava
, and
K.
Zhu
, in
Proceedings of the 4th ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication
,
2017
, Vol.
18
.
38.
W.
Zhang
,
B.
Gao
,
J.
Tang
,
X.
Li
,
W.
Wu
,
H.
Qian
, and
H.
Wu
,
Phys. Status Solidi RRL
13
,
1900204
(
2019
).
39.
S.
Choi
,
S. H.
Tan
,
Z.
Li
,
Y.
Kim
,
C.
Choi
,
P.-Y.
Chen
,
H.
Yeon
,
S.
Yu
, and
J.
Kim
,
Nat. Mater.
17
,
335
(
2018
).
40.
P.
Chen
,
X.
Peng
, and
S.
Yu
, in
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
,
2017
.
41.
M.
Jerry
,
P.
Chen
,
J.
Zhang
,
P.
Sharma
,
K.
Ni
,
S.
Yu
, and
S.
Datta
, in
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
,
2017
.
42.
H.
Kim
,
J. S.
Han
,
S. G.
Kim
,
S. Y.
Kim
, and
H. W.
Jang
,
J. Mater. Chem. C
7
,
5226
(
2019
).
43.
T.-Y.
Wang
,
J.-L.
Meng
,
Z.-Y.
He
,
L.
Chen
,
H.
Zhu
,
Q.-Q.
Sun
,
S.-J.
Ding
,
P.
Zhou
, and
D. W.
Zhang
,
Nanoscale Horiz.
4
,
1293
(
2019
).
44.
B. K.
Pandey
,
S.
Dias
,
K. K.
Nanda
, and
S. B.
Krupanidhi
,
J. Appl. Phys.
122
,
234502
(
2017
).
45.
A.
Bera
,
H.
Peng
,
J.
Lourembam
,
Y.
Shen
, and
X. W.
Sun
,
Adv. Funct. Mater.
23
,
4977
(
2013
).
46.
J. P. B.
Silva
,
K.
Kamakshi
,
K. C.
Sekhar
,
J. A.
Moreira
,
A.
Almeida
,
M.
Pereira
, and
M. J. M.
Gomes
,
Phys. Status Solidi A
213
,
1082
(
2016
).
47.
T. S.
Zhao
,
C.
Zhao
,
W. Y.
Xu
,
Y.
Liu
,
H.
Gao
,
I. Z.
Mitrovic
,
E. G.
Lim
,
L.
Yang
, and
C. Z.
Zhao
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2106000
(
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.