We present the realization of four different learning rules with a quantum dot memristor by tuning the shape, the magnitude, the polarity and the timing of voltage pulses. The memristor displays a large maximum to minimum conductance ratio of about 57 000 at zero bias voltage. The high and low conductances correspond to different amounts of electrons localized in quantum dots, which can be successively raised or lowered by the timing and shapes of incoming voltage pulses. Modifications of the pulse shapes allow altering the conductance change in dependence on the time difference. Hence, we are able to mimic different learning processes in neural networks with a single device. In addition, the device performance under pulsed excitation is emulated combining the Landauer-Büttiker formalism with a dynamic model for the quantum dot charging, which allows explaining the whole spectrum of learning responses in terms of structural parameters that can be adjusted during fabrication, such as gating efficiencies and tunneling rates. The presented memristor may pave the way for future artificial synapses with a stimulus-dependent capability of learning.

1.
L. O.
Chua
,
IEEE Trans. Circuit Theory
18
,
507
(
1971
).
2.
L. O.
Chua
,
Semicond. Sci. Technol.
29
,
104001
(
2014
).
3.
D. B.
Strukov
,
G. S.
Snider
,
D. R.
Stewart
, and
R. S.
Williams
,
Nature
453
,
80
(
2008
).
4.
S. H.
Jo
,
T.
Chang
,
I.
Ebong
,
B. B.
Bhadviya
,
P.
Mazumder
, and
W.
Lu
,
Nano Lett.
10
,
1297
(
2010
).
5.
Z. Q.
Wang
,
H. Y.
Xu
,
X. H.
Li
,
H.
Yu
,
Y. C.
Liu
, and
X. J.
Zhu
,
Adv. Funct. Mater.
22
,
2759
(
2012
).
6.
J. J.
Zhang
,
H. J.
Sun
,
Y.
Li
,
Q.
Wang
,
X. H.
Xu
, and
X. S.
Miao
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
183513
(
2013
).
7.
B.
Linares-Barranco
and
T.
Serrano-Gotarredona
,
Nat. Proc.
(
2009
), available at http://precedings.nature.com/documents/3010/version/1.
8.
Y. V.
Pershin
and
M.
Di Ventra
,
Neural Networks
23
,
881
(
2010
).
9.
H.
Kim
,
M. P.
Sah
,
C.
Yang
,
T.
Roska
, and
L. O.
Chua
,
IEEE Trans. Circuits Syst. I
59
,
148
(
2012
).
10.
C.
Zamarreño-Ramos
,
L. A.
Camuñas-Mesa
,
J. A.
Pérez-Carrasco
,
T.
Masquelier
,
T.
Serrano-Gotarredona
, and
B.
Linares-Barranco
,
Front. Neurosci.
5
,
26
(
2011
).
11.
R. C.
Malenka
and
R. A.
Nicoll
,
Science
285
,
1870
(
1999
).
12.
T. V. P.
Bliss
and
G. L.
Collingridge
,
Nature
361
,
31
(
1993
).
13.
S.
Song
,
K. D.
Miller
, and
L. F.
Abbott
,
Nat. Neurosci.
3
,
919
(
2000
).
14.
R. C.
Froemke
and
Y.
Dan
,
Nature
416
,
433
(
2002
).
15.
L. I.
Zhang
,
H. W.
Tao
,
C. E.
Holt
,
W. A.
Harris
, and
M.-M.
Poo
,
Nature
395
,
37
(
1998
).
16.
G.-Q.
Bi
and
M.-M.
Poo
,
J. Neurosci.
18
,
10464
(
1998
).
17.
S. S.-H.
Wang
,
W.
Denk
, and
M.
Häusser
,
Nat. Neurosci.
3
,
1266
(
2000
).
18.
V.
Egger
,
D.
Feldmeyer
, and
B.
Sakmann
,
Nat. Neurosci.
2
,
1098
(
1999
).
19.
L. F.
Abbott
and
S. B.
Nelson
,
Nat. Neurosci.
3
,
1178
(
2000
).
20.
N.
Caporale
and
Y.
Dan
,
Annu. Rev. Neurosci.
31
,
25
(
2008
).
21.
P. D.
Roberts
and
C. C.
Bell
,
Biol. Cybern.
87
,
392
(
2002
).
22.
K.
Seo
,
I.
Kim
,
S.
Jung
,
M.
Jo
,
S.
Park
,
J.
Park
,
J.
Shin
,
K. P.
Biju
,
J.
Kong
,
K.
Lee
,
B.
Lee
, and
H.
Hwang
,
Nanotechnology
22
,
254023
(
2011
).
23.
D.
Kuzum
,
R. G. D.
Jeyasingh
,
B.
Lee
, and
H.-S. P.
Wong
,
Nano Lett.
12
,
2179
(
2012
).
24.
W.
He
,
K.
Huang
,
N.
Ning
,
K.
Ramanathan
,
G.
Li
,
Y.
Jiang
,
J. Y.
Sze
,
L.
Shi
,
R.
Zhao
, and
J.
Pei
,
Sci. Rep.
4
,
4755
(
2014
).
25.
T.
Ohno
,
T.
Hasegawa
,
T.
Tsuruoka
,
K.
Terabe
,
J. K.
Gimzewski
, and
M.
Aono
,
Nat. Mater.
10
,
591
(
2011
).
26.
F.
Alibart
,
S.
Pleutin
,
O.
Bichler
,
C.
Gamrat
,
T.
Serrano-Gotarredona
,
B.
Linares-Barranco
, and
D.
Vuillaume
,
Adv. Funct. Mater.
22
,
609
(
2012
).
27.
G.-Q.
Bi
and
M.-M.
Poo
,
Annu. Rev. Neurosci.
24
,
139
(
2001
).
28.
R. K.
Mishra
,
S.
Kim
,
S. J.
Guzman
, and
P.
Jonas
,
Nat. Commun.
7
,
11552
(
2016
).
29.
L. F.
Abbott
and
K. I.
Blum
,
Cereb. Cortex
6
,
406
(
1996
).
30.
Y.
Li
,
Y.
Zhong
,
L.
Xu
,
J.
Zhang
,
X.
Xu
,
H.
Sun
, and
X.
Miao
,
Sci. Rep.
3
,
1619
(
2013
).
31.
Y.
Li
,
Y.
Zhong
,
J.
Zhang
,
L.
Xu
,
Q.
Wang
,
H.
Sun
,
H.
Tong
,
X.
Cheng
, and
X.
Miao
,
Sci. Rep.
4
,
4906
(
2014
).
32.
M.
Prezioso
,
F.
Merrikh Bayat
,
B.
Hoskins
,
K.
Likharev
, and
D.
Strukov
,
Sci. Rep.
6
,
21331
(
2016
).
33.
B.
Gholipour
,
P.
Bastock
,
C.
Craig
,
K.
Khan
,
D.
Hewak
, and
C.
Soci
,
Adv. Opt. Mater.
3
,
635
(
2015
).
34.
C.
Schneider
,
A.
Huggenberger
,
T.
Sünner
,
T.
Heindel
,
M.
Strauß
,
S.
Göpfert
,
P.
Weinmann
,
S.
Reitzenstein
,
L.
Worschech
,
M.
Kamp
,
S.
Höfling
, and
A.
Forchel
,
Nanotechnology
20
,
434012
(
2009
).
35.
M.
Ziegler
,
M.
Oberländer
,
D.
Schroeder
,
W. H.
Krautschneider
, and
H.
Kohlstedt
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
263504
(
2012
).
36.
P.
Maier
,
F.
Hartmann
,
T.
Mauder
,
M.
Emmerling
,
C.
Schneider
,
M.
Kamp
,
S.
Höfling
, and
L.
Worschech
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
203501
(
2015
).
37.
I.
Orak
,
M.
Ürel
,
G.
Bakan
, and
A.
Dana
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
233506
(
2015
).
38.
C.
Riggert
,
M.
Ziegler
,
D.
Schroeder
,
W. H.
Krautschneider
, and
H.
Kohlstedt
,
Semicond. Sci. Technol.
29
,
104011
(
2014
).
39.
P.
Maier
,
F.
Hartmann
,
M.
Emmerling
,
C.
Schneider
,
M.
Kamp
,
S.
Höfling
, and
L.
Worschech
,
Phys. Rev. Appl.
5
,
054011
(
2016
).
40.
A. L.
Hodgkin
and
A. F.
Huxley
,
Nature
144
,
710
(
1939
).
41.
G. G.
de Polavieka
,
A.
Harsch
,
I.
Kleppe
,
H. P. C.
Robinson
, and
M.
Juusola
,
J. Neurosci.
25
,
5657
(
2005
).
42.
B. P.
Bean
,
Nat. Rev. Neurosci.
8
,
451
(
2007
).
43.
V.
Villière
and
E. M.
McLachlan
,
J. Neurophysiol.
76
,
1924
(
1996
).
44.
K.-H.
Kim
,
S.
Gaba
,
D.
Wheeler
,
J. M.
Cruz-Albrecht
,
T.
Hussain
,
N.
Srinivasa
, and
W.
Lu
,
Nano Lett.
12
,
389
(
2012
).
45.
S. H.
Jo
,
K.-H.
Kim
, and
W.
Lu
,
Nano Lett.
9
,
496
(
2009
).
46.
M. A.
Woodin
,
K.
Ganguly
, and
M.-M.
Poo
,
Neuron
39
,
807
(
2003
).
47.
B.
Marquardt
,
M.
Geller
,
A.
Lorke
,
D.
Reuter
, and
A. D.
Wieck
,
Physica E
42
,
2598
(
2010
).
48.
D.
Stornaiuolo
,
S.
Gariglio
,
A.
Fête
,
M.
Gabay
,
D.
Li
,
D.
Massarotti
, and
J.-M.
Triscone
,
Phys. Rev. B
90
,
235426
(
2014
).
49.
R. C.
Froemke
,
D.
Debanne
, and
G.-Q.
Bi
,
Front. Syn. Neurosci.
2
,
19
(
2010
).
50.
A.
Marent
,
T.
Nowozin
,
M.
Geller
, and
D.
Bimberg
,
Semicond. Sci. Technol.
26
,
014026
(
2011
).
51.
P.
Maier
,
F.
Hartmann
,
M.
Rebello Sousa Dias
,
M.
Emmerling
,
C.
Schneider
,
L. K.
Castelano
,
M.
Kamp
,
G. E.
Marques
,
V.
Lopez-Richard
,
L.
Worschech
, and
S.
Höfling
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
023501
(
2016
).
52.
H.
Tan
,
G.
Liu
,
X.
Zhu
,
H.
Yang
,
B.
Chen
,
X.
Chen
,
J.
Shang
,
W. D.
Lu
,
Y.
Wu
, and
R.-W.
Li
,
Adv. Mater.
27
,
2797
2803
(
2015
).
53.
T.
You
,
L. P.
Selvaraj
,
H.
Zeng
,
W.
Luo
,
N.
Du
,
D.
Bürger
,
I.
Skorupa
,
S.
Prucnal
,
A.
Lawerenz
,
T.
Mikolajick
,
O. G.
Schmidt
, and
H.
Schmidt
,
Adv. Electron. Mater.
2
,
1500352
(
2016
).
54.
S.
Pi
,
M.
Ghadiri-Sadrabadi
,
J. C.
Bardin
, and
Q.
Xia
,
Nat. Commun.
6
,
7519
(
2015
).
55.
A. C.
Torrezan
,
J. P.
Strachan
,
G.
Medeiros-Ribeiro
, and
R. S.
Williams
,
Nanotechnology
22
,
485203
(
2011
).
56.
M.-J.
Lee
,
C. B.
Lee
,
D.
Lee
,
S. R.
Lee
,
M.
Chang
,
J. H.
Hur
,
Y.-B.
Kim
,
C.-J.
Kim
,
D. H.
Seo
,
S.
Seo
,
U.-I.
Chung
,
I. K.
Yoo
, and
K.
Kim
,
Nat. Mater.
10
,
625
(
2011
).
57.
M.
Prezioso
,
F.
Merrikh-Bayat
,
B. D.
Hoskins
,
G. C.
Adam
,
K. K.
Likharev
, and
D. B.
Strukov
,
Nature
521
,
61
64
(
2015
).
58.
B.
Lau
,
D.
Hartmann
,
L.
Worschech
, and
A.
Forchel
,
IEEE Trans. Electron. Devices
53
,
1107
(
2006
).
You do not currently have access to this content.