研究背景
基于传统的“冯-诺依曼架构“的计算系统，由于其物理上独立的存储器和中央计算单元在信息爆炸性增长的时代，逐渐面临着能耗高、计算速度慢、数据处理容量小的挑战。依靠复杂的神经网络，大量的神经元与突触既是存储器又是处理器，帮助人们感知、学习，能够高效、低能耗地处理复杂事件。因此，受人类神经系统的启发，在一个简单的突触装置中集成多种存储和处理功能已成为一个重要的趋势。迄今为止，人们已经制备了各种突触装置，如双终端电阻开关存储器和三/多终端晶体管。特别是，突触晶体管装置可以提供一个额外的栅极电场来调节突触权重，因此在模拟生物模拟功能方面具有潜在的优势。
设计晶体管器件的结构和选择适当的材料可以有效地模拟电压和光等外部刺激下的生物突触功能。由于带宽-连接-密度的权衡，突触器件的电刺激将阻碍神经计算的效率。相比之下光刺激的突触器件具有更高的带宽、更低的能耗和出色的抗串扰能力等优点。因此用光子突触器件来构建神经网络在未来的神经形态计算中具有很大的潜力。选择合适的通道材料用于光刺激下的激子产生和分离是模拟光子突触器件的重要条件之一。目前各种材料如有机小分子、过氧化物和有机-无机复合材料被选作器件的活性层，以模拟生物突触行为。
研究成果
具有信息传感、处理和存储功能的灵活的突触装置在可穿戴人工智能电子系统的发展中是不可缺少的。在此，合肥工业大学Xiaohong Wang教授&Longzhen Qiu教授团队通过一步沉积法制备了半导体/介电双层结构，并首次用于柔性仿生光子突触晶体管装置。具体来说，制备了P3HT-b-PPI(5F)作为器件活性层，其中 P3HT作为载流子传输通道和光门，PPI(5F)用于电荷捕获。在绿光刺激下，成功模拟了各种生物突触行为，如兴奋性突触后电流、配对脉冲促进和短期/长期记忆。在大大降低的工作电压下，实现了1.82 fJ的超低能耗。此外，利用该装置出色的突触可塑性，模拟了“摩斯“光学解码。此外灵活的突触装置是通过一步沉积法制备的，可以很好地固定在任意的基底上。这在可穿戴式仿生电子学领域具有很好的应用前景。相关研究以“One-Step Preparation of Semiconductor/Dielectric Bilayer Structures for the Simulation of Flexible Bionic Photonic Synapses”为题发表在ACS Applied Materials& Interfaces期刊上。
图文导读
Figure 1. (a) Schematic diagram of the synaptic transistor and chemical structures of P3HT-b-PPI(5F) and PMMA. (b) UV−vis absorption spectrum of P3HT, PPI(5F), and P3HT-b-PPI(5F). (c) UV−vis absorption spectrum of P3HT-b-PPI(5F)/PMMA blend films at different RIE reaction times (inset shows the structure of O2 RIE process). (d) XPS spectra of F1s and (e) N1s of the blended films (1 mg mL−1 P3HT-b[1]PPI(5F)) with different etching depths.
Figure 2. (a) Transfer curves (red line is the corresponding IGS) and (b) output curves using 0.75 mg mL−1 concentrations of P3HT-b-PPI(5F)/PMMA-blended films. (c) Mobility of the blended films with different P3HT-b-PPI(5F) concentrations. (d) Threshold voltage and on/off ratio of blended films with different P3HT-b-PPI(5F) concentrations. (e) Current evolution under different wavelengths of light (VDS = −15 V, VG = −15V). (f) Schematic diagram of the energy band of the device under 532 nm light stimulation.
Figure 3. (a) Schematic representation of neurons and biological synapses. (b) ΔEPSC triggered by a 532 nm light (6.99 mW cm−2, T = 2 s) pulse.(c) PPF index, plotted as a function of presynaptic light pulse interval (ΔT). (d) ΔEPSC triggered by a pair of presynaptic light spikes. (e) ΔEPSC triggered by a 532 nm light (35.1 mW cm−2) pulse at ultra-low source−drain voltage (VDS = −0.001 V, VG = −7 V).
Figure 4. ΔEPSC variations triggered by changing 532 nm light (a) pulse intensity (T = 2 s), (b) pulse width (6.99 mW cm−2), and (c) number of pulses (6.99 mW cm−2, T = 2 s, ΔT = 1 s). (d) A series of photonic pulses (6.99 mW cm−2) induced ΔEPSC simulating the International Morse code of “HFUT”.
Figure 5. (a) Optical images of the flexible synaptic device tested in the bent state and a schematic diagram of the device structure. (b) Initial device transfer curve (red line is the corresponding IGS). (c) Normalized EPSC as a function of bending radius and (d) bending cycle. (e) Optical image of the synaptic device on the water surface and bending synaptic device transferred to an arbitrary substrate.
总结与展望
总之，作者制备了 P3HT-b-PPI5F)嵌段共聚物，其中P3HT作为载流子传输通道和光闸，而绝缘段则用于电荷捕获。P3HT-b-PPI(5F)/PMMA混合溶液的沉积诱发了垂直相分离的产生从而在一个步骤中制备了电介质和半导体层。这大大简化了器件的结构，而不影响载流子的传输。通过调整混合比例，发现浓度为0.75 mg mL-1的P3HT-b-PPI(5F)具有良好的电气性能，该器件被用来模拟生物突触行为。仿生突触行为可以被光脉冲持续时间、光脉冲强度或光脉冲数量很好地调控，成功地模拟了人脑的记忆过程。利用突触设备展示了“摩斯密码“解码方案在光无线通信中的潜力。VDS降低到-0.001 V，实现了1.82 fJ的超低能耗。此外以柔性 PET为基底制备的人工突触器件在不同的弯曲度以及循环弯曲后表现出相对稳定的突触行为，并且可以通过水面剥离转移到任意基底上。使用嵌段共聚物结合简单的一步法沉积工艺来制备突触装置，将在可穿戴仿生电子学领域有潜在的应用。
文献链接
One-Step Preparation of Semiconductor/Dielectric Bilayer Structures for the Simulation of Flexible Bionic Photonic Synapses
https://doi.org/10.1021/acsami.2c22223
转自：“i学术i科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
