Tuning electrical conductance in WO_(3-x) by direct laser writing for neuromorphic computing

The increasing demand for energy-efficient and compact electronics has highlighted the limitations of the traditional von Neumann architecture. To overcome these obstacles, novel architectures have been proposed, such as neuromorphic computing, a paradigm that aims to emulate the performance of biological neural systems. As a recent and still developing technology, many materials and fabrication techniques can be explored to enable its full potential. In this framework, the present work investigates the direct laser writing of WO_3 as a possible route toward functional neuromorphic devices. The highly localized action of a UV laser can induce the migration of oxygen atoms from the material, reducing the oxide stoichiometry and consequently increasing its conductance, with up to four orders of magnitude modulation under optimal conditions. Real-time electrical two-probe measurements have shown progressive conductance tunability according to the energy delivered to the system when patterning WO_3 in a nitrogen atmosphere. Oxygen vacancies modulation also enabled the material to change its response according to previous inputs, emulating the potentiation of brain synapses, which strengthen their electrical response after repeated stimuli. Conductive atomic force microscopy measurements further confirmed tunable and highly localized surface conductance modulation of WO_3 thin films as a function of the energy delivered upon laser irradiation. Regarding the minimum feature size, we reached 700 nm radius in isolated conductive circular dots patterned on an insulating WO_3 thin film. Based on these findings, a few preliminary tests were performed toward the functionalization of thin films for reservoir computing purposes. This work proved the local tuning of the conductance in WO_3 thin films via direct laser writing for future applications in the field of neuromorphic devices.

La richiesta crescente di dispositivi elettronici compatti ed energeticamente efficienti ha evidenziato i limiti della tradizionale architettura di von Neumann. In questo contesto, nuove architetture completamente rinnovate, come i calcolatori neuromorfici, che mirano a emulare il funzionamento delle reti neurali biologiche, sono state proposte per oltrepassare tali ostacoli. Poiché questa tecnologia è ancora recente e in via di sviluppo, molti materiali e tecniche di fabbricazione possono essere esplorati per mirare a sfruttarne tutte le potenzialità. In questo contesto, questo lavoro studia la scrittura laser diretta di WO_3 come possibile strada verso la realizzazione di dispositivi neuromorfici. L'azione estremamente localizzata di un laser UV può indurre la migrazione di atomi di ossigeno al di fuori del materiale, riducendo la stechiometria dell'ossido e, di conseguenza, aumentandone la conduttanza, con una modulazione fino a quattro ordini di grandezza in condizioni ottimali. Misure elettriche in tempo reale, a due punte, hanno permesso di mostrare una progressiva modulazione della conduttanza in funzione dell'energia irraggiata sul sistema, quando la scrittura laser avveniva in atmosfera di azoto. La modulazione delle vacanze di ossigeno ha inoltre permesso al materiale di cambiare la propria risposta in funzione dei precedenti segnali ricevuti in ingresso, emulando il comportamento di potenziamento delle sinapsi, le quali rafforzano la propria risposta elettrica a seguito di stimoli ripetuti. Le misure CAFM confermano ulteriormente la modulazione di conduttanza superficiale in maniera altamente localizzata e regolabile in funzione dell'energia trasmessa tramite irraggiamento laser. Riguardo invece la risoluzione minima della tecnica, siamo riusciti a scrivere dot isolati conduttivi su film isolanti di WO_3 con un raggio minimo di 700 nm. In seguito a quanto ottenuto, sono stati realizzati anche alcuni test preliminari orientati verso l'ingegnerizzazione di film sottili per applicazioni nell'ambito del reservoir computing. Questo lavoro ha dimostrato dunque come la scrittura laser diretta possa modulare localmente la conduttanza nei film sottili di WO_3, con un approccio utile per future applicazioni nel campo dei dispositivi neuromorfici.