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宁波材料所在氧化物类脑神经形态器件研究方面取得进展
发布时间:2018-04-19 点击浏览:

  人脑中有约个神经元和约个突触连接,突触结构是神经元间发生信息传递的关键部位,是人脑认知行为的基本单元,因此研制人造突触器件对于神经形态工程而言具有重要意义。近年来,类脑神经形态器件正在成为人工智能和神经形态领域的一个重要分支,将为今后人工智能的发展注入新的活力。目前,国际上报道的人造突触器件主要为两端阻变器件和三端晶体管器件。离子液和离子凝胶电解质具有独特的离子界面耦合特性及相关的界面电化学过程,其在神经形态器件和系统方面有着极强的应用前景。

  中科院宁波材料所功能材料界面物理与器件应用团队在前期工作中,制备了具有室温质子导电特性的固态离子液电解质薄膜,并采用这类电解质作为栅介质制作了具有低工作电压的氧化物双电层薄膜晶体管(<1.5V),相关工作发表于IEEE Electron Dev.Letters,36(2015)799/38(2017)322等。这类室温质子导体还具有极强的侧向离子耦合特性,基于这一特性,设计了具有侧向耦合结构的氧化物双电层薄膜晶体管,克服了传统氧化物薄膜晶体管通常需要采用顶栅或底栅结构的限制,相关工作发表于Appl.Phys.Lett., 105(2014)243508, ACS Appl.Mater. Interfaces.,7(2015)6205等。基于器件的界面质子耦合特性,这类器件在类脑神经形态器件方面有着一定的应用价值,可以实现短时程突触塑性行为、双脉冲异化行为、时空信息整合和超线性/亚线性整合行为等,相关工作发表于Nat.Commu., 5(2014)3158, Appl.Phys.Lett., 107(2015)143502, ACS Appl.Mater.Inter., 8(2016)21770/9(2017)37064等。

  最近,该团队及其合作者设计了氧化物神经形态晶体管,实现了对霍奇金-赫胥黎(Hodgkin-Huxley)膜电位行为的模仿。他们首先制备了多孔磷硅玻璃纳米颗粒膜,呈现了室温质子导电特性和双电层耦合行为,薄膜具有不同于传统热氧化SiO2栅介质的充放电行为。三明治结构(MIM)电容经过电流充电后,其电势呈现了短时程塑性行为和非易失性行为(长时程塑性行为)。生物突触通常由突触前膜、突触间隙、突触后膜组成,在膜生物物理中,生物突触膜通常可以采用霍奇金-赫胥黎(Hodgkin-Huxley)膜电位模型加以说明,脂质膜被等价为一个电容CLipid,脂质膜上存在一些离子通道,可以将离子泵和离子通道分别看成电源(En)和电阻(Gn)。而对于离子导体电解质,通常可以简化为电容(C)和电阻(R)的组合电路。因此,氧化物双电层薄膜晶体管与霍奇金-赫胥黎(Hodgkin-Huxley)膜电位模型存在相似之处。他们设计了具有双栅结构的氧化物双电层薄膜晶体管,器件的等效电路图与Hodgkin-Huxley等效电路类似。通过电脉冲刺激,在器件上测试了膜电位响应,包括静息电位、兴奋性/抑制性突触膜电位等。相关研究成果以“Hodgkin–Huxley Artificial Synaptic Membrane Based on Protonic/Electronic Hybrid Neuromorphic Transistors”为题,发表于Advanced Biosystems 2(2018)1700198上(论文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adbi.201700198)。

  该工作得到了国家自然科学基金委、中科院青年创新促进会、浙江省杰出青年基金、宁波市科技创新团队等项目的资助。

   

   

  (新能源所 竺立强)