王中林院士、孫其君研究員團隊AFM: 機-光-電多模態塑化非對稱鐵電異質結構建仿生記憶突觸
在當代計算中，馮·諾依曼架構廣泛應用於個人電腦、智能手機、平板電腦和互聯網應用程序中，支撐着人工智能的基礎算法和模型。然而，這種架構中存儲器和處理的分離降低了數據傳輸速度，越來越不能滿足現代計算機系統的性能需求。爲了解決這個問題，研究人員已經開始尋求替代計算範式。從人腦強大的生物計算能力中汲取靈感，“類腦計算”的概念已經出現並融入計算機科學領域。類腦計算致力於模擬大腦的神經系統，目的是製作反映大腦複雜神經網絡的軟件或硬件系統，從而促進有效的信息處理。神經元被認爲是人類大腦中的基本計算單元，形成了由數十億個神經元通過突觸互連而成的複雜神經網絡。因此，設計能夠模擬突觸行爲的人工突觸器件是構建類腦計算機的基礎。這些人工突觸器件，也稱爲神經形態器件，模擬生物突觸的功能，並有助於構建神經網絡，從而實現類似大腦的信息處理。它們可以模仿突觸連接的強度和可塑性，從而訓練類似於生物突觸的信號傳遞和學習能力。目前，二端憶阻器和三端突觸晶體管代表了人工突觸的最普遍和最廣泛研究的類別。雖然雙端器件易於實現，但三端器件更準確地模擬生物突觸的複雜性並呈現出實質性優勢。目前已報道了大量三端人工突觸器件，主要採用無機、有機、低維材料和生物材料等。
在所報道的活性材料中，鐵電材料由於其獨特的性質而受到極大的關注。結合鐵電柵極的鐵電場效應晶體管（Fe-FET）由於其低電壓操作、緊湊的單元尺寸和非易失性而成爲鐵電器件研究領域中的熱門課題。然而，大多數報道的具有Fe-FET結構的神經形態器件表現出一些缺點阻礙了它們的商業可行性。主要問題是保留時間短，這由兩個主要因素引起：去極化場和有限的柵極漏電流。具體地說，單晶範德華鐵電層提供二次鐵電遲滯返回，從而減輕由去極化場引起的保留損失。此外，範德華材料缺乏界面鍵，這種無界面陷阱的設計也減少了內存性能的下降。這個問題可以通過範德華工程來解決，該工程使得單晶鐵電材料的集成能夠與其他二維（2D）材料集成，同時保持乾淨的界面。傳統Fe-FET結構的第二個問題是由於傳統FET調製機制和材料固有特性的限制，其開關比低。爲了解決第二個問題，可以設計非對稱結構以賦予晶體管在關斷狀態下的低溝道電流和在導通狀態下的高電流（從而導致相當大的切換比），這是通過相鄰鐵電材料中的極化場自發地誘導半導體溝道中的費米能級的顯著移位來實現的。同時具有優良的記憶特性和高開關比是設計高性能突觸器件的關鍵因素。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和孫其君研究員團隊報道了一種基於非對稱鐵電異質結的多模態機-光-電多模態仿生記憶突觸。該人工突觸器件由不對稱MoS2/CIPS鐵電異質結構場效應晶體管（AFe-FET）和集成摩擦電納米發電機（TENG）單元組成，通過提供摩擦電勢來實現門控、編程和突觸可塑性。在摩擦電位調製下，該存儲器件顯示出機械位移衍生的電學性能，包括高開/關比（> 107）、大存儲窗口（相當於95 V）、優異的電荷保持能力（> 104 s）和良好的耐久性（> 103循環）。基於這些優良的電特性，典型突觸行爲，如興奮性突觸後電流（EPSC）、成對脈衝易化（PPF）、短時記憶（STM）和長時記憶（LTM）等已被成功地模擬。由於MoS2/CIPS異質結具有出色的光敏性，光照也可以觸發突觸後電流並更新突觸權重，這爲摩擦電勢和光電可塑性協同調製提供了有效的策略。在協同調製下，實現了多模態時空相關動態邏輯。通過機-光-電塑化的非對稱MoS2/CIPS鐵電異質結實現的多模態記憶突觸顯示出優越的電學性能，併成功模擬了一系列生物突觸功能，爲突觸可塑性的多模態調製、多功能感覺記憶、神經形態器件和體現人工智能的類人電子器件提供了一種簡便而有前途的策略。
該成果以“Brain-inspired Multimodal Synaptic Memory via Mechanophotonic Plasticized Asymmetric Ferroelectric Heterostructure”爲題發表在Advanced Functional Materials期刊上。
圖文導讀
圖1. (a)人體觸覺/視覺感覺系統示意圖。(b)基於不對稱MoS2/CIPS異質結構的人工突觸的3D示意圖。(c)摩擦電子晶體管的相應等效電路圖。(d)突觸前和突觸後神經元之間的突觸連接結構示意圖。(e)AFe-FET器件的假彩色SEM圖像。(f)集成TENG器件的輸出電壓。
圖2. (a)摩擦晶體管的輸出特性。(b)不同位移D下的摩擦晶體管轉移特性(c) D位移(D)隨|D|的變化。(d)不同機械位移下的固位性能。(e)動態多級存儲器操作過程。(f) 1000次耐久性試驗。不同狀態下摩擦晶體管對應的能帶圖:(g)無外加電場的平衡態，(h) +VTENG下能帶圖，(i) -VTENG下能帶圖。
圖3. (a)生物突觸和人工突觸裝置的示意圖。(b)在TENG作用下EPSC的反應(D = 0.1 mm)。(c)不同TENG位移和不同持續時間下EPSC的變化。(d)計算不同TENG位移下每個脈衝的衰減時間。(e)由一對TENG動作激活的EPSC反應。插入的曲線顯示了PPF指數作爲脈衝間隔的函數。(f) EPSC對多個TENG行動的實時反應。行動數(n)從3增加到10。(g)不同TENG位移下脈衝數相關的促進增益(An/A1)。(h)由不同頻率的10個連續脈衝引起的EPSC。(i) EPSC振幅增益(A10/A1)繪製爲頻率的函數。
圖4. (a)光電人工突觸示意圖。(b) 405 nm光脈衝誘發的EPSC。(c) EPSC與405 nm光脈衝持續時間的關係。(d) EPSC在不同P和不同TENG位移下的變化。(e)在光照條件下，由一對TENG動作激活的EPSC反應。插入的曲線顯示了PPF指數作爲脈衝間隔的函數。(f)光照條件下30個不同位移的連續TENG脈衝的EPSCs。(g)不同脈衝位移下的電流增益(A30/A1)。(h)突觸裝置的光增強和摩擦電抑制行爲。
圖5. (a)邏輯運算人工突觸裝置示意圖。(b)“與”邏輯功能由365 nm (0.17 mW/cm2)和460 nm (2.19 mW/cm2)光峰值模擬。(c)“或”邏輯功能由365 nm (0.33 mW/cm2)和460 nm (5.59 mW/cm2)光峰值模擬。(d)人工突觸裝置示意圖;(e)光(365 nm)和TENG信號協同調控的邏輯操作。(f)"AND"， (g)“或”，(h)“NOR”及(i)通過光和電信號的同步調製實現的“NAND”邏輯運算。
結論:綜上，該工作成功地展示了一種基於機-光-電增塑化的不對稱MoS2/CIPS鐵電異質結用於構建多模態記憶突觸。在摩擦電位調製下，存儲器表現出優異的機械性能，包括高開/關比(>107)、大存儲窗口(相當於95 V)、優異的電荷保持能力(> 104 s)和良好的耐久能力(>103週期)。此外，通過調節機械位移寬度、強度、持續時間、次數和間隔，成功模擬了EPSC、STM、LTM、PPF等典型突觸功能和高通濾波特性。該裝置還可以很好地模擬不同波長光脈衝(405、460、520、590和620 nm)下的突觸可塑性，豐富了協同突觸功能的多樣性。通過機械位移和光照對記憶突觸進行協同調製，實現“AND”、“OR”、“NOR”、“NAND”等典型邏輯功能和時空動態邏輯。該論文提出的基於機-光-電塑化不對稱MoS2/CIPS鐵電異質結的記憶突觸在多模態神經形態器件、類人仿生電子和人工智能系統中意義重大。
--檢測服務--
DOI：10.1002/adfm.202408435
來源：高分子科學前沿
聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！