基于分子连接的人工突触

研究背景

分子电子学领域已经存在了半个世纪，但由于强大的布线技术的发展和对传输机制的理解，最近才取得了一些进展。使用单个或单层分子构建电子元件可能是解决当前互补金属氧化物半导体(CMOS)技术在进一步设备小型化时面临的基本限制的方法之一。分子电子元件，如开关、整流器(参照二极管)、晶体管、存储器和基本逻辑门已经被创造出来。分子电子学的发展仍在取代硅电子学的道路上，在硅电子学中，信息的处理是基于冯-诺依曼架构的。然而，这种结构将计算和存储步骤分开，在数据爆炸性增长时面临巨大挑战。

纳米颗粒是研究分子电子学的理想模型。研究纳米颗粒薄膜限域结构中电荷的输运机制不但有助于理解复杂体系中信息的处理方式，同时对设计和构建新型纳米（分子）电子器件、提升器件性能提供理论支持。另外，将电子元器件推向分子尺度是提升芯片集成度、运行速度以及能耗等性能的重要途径。当前已报道的分子阻变器件往往基于分子自身分立的电子态转变或与分子与电极的耦合，该类器件难以满足神经形态计算中突触元器件的要求。

研究成果

在金属纳米颗粒神经形态器件工作的基础上，国家纳米科学中心鄢勇研究员课题组将活性金属与液态金属作为电极对，以自组装寡肽单分子层作为传输层，构建了一类电导连续可调的分子神经形态器件。在电场的作用下，银离子从银/氧化银电极中注入单分子层并与寡肽分子中的功能基团络合，理论计算表明这些络合位点有利于电子的跳跃传输，从而实现器件电导的连续、可逆调制，并以此分子突触器件为基础，模拟了一系列典型的长时与短时突触行为。同时，基于其非线性与短时突触特征，该分子器件被用于构建储备池计算系统，实现了简单波形的准确识别。相关研究成果以An artificial synapse based on molecular junctions为题发表在Nature Communications期刊上。

研究亮点

1. 报告了通过在活性 Ag/AgOx电极和镓铟合金(EGaln)液态金属电极之间夹住寡肽分子的自组装单层来实现分子电子突触。

2. 这是第一个在一个分子长度尺度内的分子人工突触的实验证明。这种分子突触随后被用于储能计算(RC)系统，用于识别简单的正弦和方波。

图文导读

Fig. 1 | Molecular synapse architecture and dynamic current–voltage characteristics.

Fig. 2 | Operation mechanism of the molecular synapse.

Fig. 3 | Modeling of the molecular synapse.

Fig. 4 | Synaptic plasticity characterization.

Fig. 5 | Signal processing based on the molecular synapse.

总结与展望

总之，作者展示了一个分子突触，其中的电导或突触重量可以逐渐被调制。与以往分子RRAM 中的数字开关不同，动态电流响应使其能够模拟典型的突触可塑性，并根据储能计算概念进行波形识别。此外，作者提出，电场诱导 Ag+注入单分子层，Ag+和功能团之间的相互作用说明了动态电导调制和短期(化学门控)和长期(协调)突触行为。使用单个分子或SAM 作为元件可能是硅电子的最终目标。同样，在相同的长度范围内模拟生物突触、神经元，甚至神经网络也是值得努力的，因为设备小型化后的能量和集成密度会带来回报。展望未来，作者希望该初步演示不仅可以激发更多关于基本生物设备的工作，而且可以通过使用单层或单层分子来实现复杂任务的硬件。重要的是，这些电子装置是由生物分子组成的可以预期直接与网络对接，以监测、干扰、甚至引导生物信号。

文献链接

An artificial synapse based on molecular junctions

https://doi.org/10.1038/s41467-023-35817-5

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