華東師范大學(xué)在柔性人工突觸器件取得重要進(jìn)展

開發(fā)具有生物神經(jīng)系統(tǒng)功能的柔性神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)是構(gòu)建下一代可穿戴人工智能設(shè)備的關(guān)鍵步驟。目前，基于傳統(tǒng)柔性聚合物襯底上的有機(jī)、二維以及無定形氧化物材料的單個(gè)柔性人工突觸器件已得到廣泛研究。然而，大規(guī)模集成的柔性神經(jīng)形態(tài)電子陣列卻鮮有報(bào)道，這主要受限于柔性人工突觸器件的性能可靠性、結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性以及彎曲穩(wěn)定性等問題。挖掘兼顧優(yōu)異性能與彎曲穩(wěn)定性的且可集成化的柔性人工突觸器件仍是一個(gè)亟待解決的研究課題。過渡金屬氧化物因其奇特的電子軌道結(jié)構(gòu)，其電子態(tài)在外界因素的調(diào)控作用下易發(fā)生連續(xù)且穩(wěn)定的變化，是用于模擬生物突觸功能的理想選擇。因此，在柔性襯底上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量外延氧化物薄膜的生長(zhǎng)并以此設(shè)計(jì)出高性能的柔性人工突觸器件，有望進(jìn)一步促進(jìn)大規(guī)模集成柔性人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的建立。

近日，華東師范大學(xué)極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在柔性人工突觸器件取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以 “A Flexible Mott Synaptic Transistor for Nociceptor Simulation and Neuromorphic Computing”為題在國(guó)際權(quán)威期刊Advanced Functional Materials在線發(fā)表。

利用范德瓦爾斯外延在柔性云母片襯底上制備出高質(zhì)量VO2薄膜，并以此為溝道層制備出全固態(tài)的柔性透明Mott晶體管。通過巧妙的設(shè)計(jì)VO2的易失靜電調(diào)控與非易失電化學(xué)調(diào)控，模擬了生物突觸的多種短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)可塑性，比如PPF、SRDP、LTD/P及STDP等?；谠撊嵝訫ott晶體管中獨(dú)特的靜電及電化學(xué)雙調(diào)控機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了生物疼痛感受器的疼痛閾值、弛豫以及敏化等關(guān)鍵特征的模擬。

更加重要的是，該柔性突觸晶體管還展現(xiàn)出優(yōu)異的彎曲穩(wěn)定性，在平整與彎曲狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的LTP與LTD周期性變化率可保持極低的范圍（《4%），大大優(yōu)于已有的報(bào)道?；谠揗ott晶體管構(gòu)建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果表明，手寫數(shù)字的識(shí)別精度可高達(dá)95%。這項(xiàng)工作表明了電解質(zhì)門控Mott晶體管在高性能人工突觸器件中的應(yīng)用潛力，同時(shí)也為高穩(wěn)定性及高度可集成化的柔性神經(jīng)形態(tài)電子系統(tǒng)的建立提供了新的思路與途徑。

圖文導(dǎo)讀

圖1（a）生物突觸結(jié)構(gòu)示意圖；（b）基于離子凝膠的Mott晶體管示意圖；（c）透明柔性Mott晶體管實(shí)物圖；（d）不同振幅的柵極電壓（VGS）下，VO2溝道薄膜電導(dǎo)（IDS）的變化及其弛豫現(xiàn)象；（e）VO2/Mica異質(zhì)結(jié)在不同VGS作用下的XRD變化；（f）經(jīng)VGS=3V作用后，VO2薄膜中的H離子濃度與初始狀態(tài)薄膜的對(duì)比。

圖2（a-c）Mott晶體管中靜電調(diào)控效應(yīng)與生物突觸短時(shí)可塑性功能的對(duì)應(yīng)：（a）正向柵壓下雙電層電場(chǎng)形成示意圖；（b）雙電層電場(chǎng)的弛豫示意圖；（c）短時(shí)可塑性功能的模擬。（d-f）Mott晶體管中電化學(xué)調(diào)控效應(yīng)與生物突觸 長(zhǎng)時(shí)可塑性功能的對(duì)應(yīng)：（d）正向柵壓下雙電層電場(chǎng)形成以及H離子的摻入示意圖；（e）雙電層電場(chǎng)的弛豫及非易失的H離子摻入示意圖；（f）長(zhǎng)時(shí)可塑性功能的模擬。

圖3（a）雙脈沖刺激下突觸晶體管的EPSC易化現(xiàn)象（PPF）；（b）PPF指數(shù)與脈沖間隔的關(guān)系圖；（c）不同頻率的10個(gè)重復(fù)VG脈沖刺激下突觸晶體管EPSC易化現(xiàn)象（SRDP）；（d）人體疼痛感知過程的示意圖；（e）基于SRDP對(duì)疼痛感知的模擬。

圖4（a）不同脈沖振幅下的EPSC對(duì)疼痛閾值的模擬；（b）不同振幅連續(xù)脈沖刺激所誘導(dǎo)的EPSC及其弛豫現(xiàn)象；（c）EPSCs弛豫至閾值電流（107 nA）所需時(shí)間與脈沖序列振幅的函數(shù)關(guān)系；（d）生物疼痛感受器敏化特征示意圖；（e）不同振幅脈沖（0.6V至1.8 V）下的EPSC在原始狀態(tài)和疼痛預(yù)警狀態(tài)下的對(duì)比；（f）基于Mott晶體管對(duì)疼痛感受器敏化特征的模擬。

圖5（a）正負(fù)連續(xù)脈沖刺激下，Mott晶體管對(duì)突觸權(quán)重的雙向調(diào)控（LTP/D）的模擬；（b-c）基于Mott晶體管對(duì)突觸STDP功能的模擬：（b）不對(duì)稱STDP，（c）對(duì)稱STDP；（d）連續(xù)重復(fù)正負(fù)脈沖刺激下突觸權(quán)重的連續(xù)增強(qiáng)與抑制；（e）平整與不同彎曲狀態(tài)下，突觸權(quán)重連續(xù)增強(qiáng)與抑制的循環(huán)測(cè)試結(jié)果；（f）用于識(shí)別MINST的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖；（g）基于柔性Mott晶體管的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)手寫數(shù)字的識(shí)別精度。

該工作以華東師大為第一單位，極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄧興博士后為論文第一作者，向平華研究員、鐘妮研究員為論文的共同通訊作者，合作者包括極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段純剛教授、彭暉研究員和華中科技大學(xué)何毓輝教授。這一工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃的支持。

原文標(biāo)題：AFM：高穩(wěn)定柔性Mott晶體管在痛感模擬/神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中的應(yīng)用

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