受生物启发的MoS2/LiSiOx可穿戴式自适应神经形态计算

研究背景

迄今为止，人们已经做出了许多努力来开发灵活的神经形态器件，这些器件与功能性纳米材料和器件相结合，优化了人工神经网络 (ANN)的记忆处理。各种可拉伸和柔性装置已经被开发出来，但它们的电解质大多是有机聚合物或基于离子凝胶的装置。因此，使用高度集成的神经形态电路装置有效地处理大量的信息是有限的。

最近，基于无机材料，包括石墨烯、过渡金属二钙化物(TMDs)和氮化硼的柔性二维人工神经突触装置已被报道，具有高度集成的阵列功能。这些原子级薄的二维层材料，与传统的笨重材料不同，表现出特殊的性能，如低功耗开关能力，静电门可调谐性，和机械灵活性。此外，由范德瓦尔斯 (vdw) 异质结构构建的具有理想表面特征的新型神经形态突触设备已被成功展示。尽管基于二维材料的柔性人工突触阵列器件取得了显著进展，但由于固有的薄膜转移过程，在扩大这些二维材料的生产规模和实现大面积均匀性方面仍存在一些挑战。因此，对基于二维材料的柔性突触器件和神经形态边缘系统来说，有必要采用生产线兼容的后端工艺 (<450℃)，并提供创新的柔性衬底。

研究成果

具有下一代生物相容性、机械、超灵活和便携式传感器的可穿戴电子设备是一项快速增长的技术。启用人工神经网络的硬件系统，同时消耗低功率和处理大量的现场个人数据，对于自适应的可穿戴神经形态边缘计算至关重要。在此，韩国材料科学研究所Jung-Dae Kwon和Yonghun Kim教授团队展示了一种具有具体机械循环耐力的超灵活人工突触阵列装置的开发，该装置由一个具有全固态二维 MoS2 通道和 LiSiOx(硅酸钾)的新型异质结构构成。在所有层的顺序制造过程中，通过排除转移过程，与二维 MoS2通道和 LiSiOx固体电解质相结合的人工范德瓦耳斯器件表现出优异的神经形态突触特性非线性为0.55，不对称比为0.22。基于无色聚酷亚胺基材和薄层结构的优异柔韧性，所制造的柔性神经形态突触装置表现出优异的长期电位和长期抑制循环耐力性能，即使在弯曲超过700 次或在直径为 10 毫米的弯曲表面上也是如此。因此，在修改后的国家标准和技术研究所中，实现了 95%的高分类精度，而没有任何明显的性能下降。这些结果对未来开发个性化的可穿戴人工神经系统很有希望。相关研究以“A Bioinspired Ultra Flexible Artificial van der Waals 2D-MoS2Channel/LiSiOx Solid Electrolyte Synapse Arrays via Laser-Lift Off Process for Wearable Adaptive Neuromorphic Computing”为题发表在Small Methods期刊上。

研究亮点

1. 展示了一个使用锂离子的无机柔性神经形态器件，包括一个固态电解质和一个半导体 2D-MoS2通道，表现了优秀的线性和对称的神经形态性能。

2. 提出了一种在柔性衬底上制造具有 MoS2通道和 LiSiOx (LSO) 电解质的神经形态器件的方法，而无需材料转移过程。

总结与展望

该研究表明，灵活的人工突触阵列可以使用LLO和PECVD 方法进行制备，不需要转移过程。在平坦的状态下，该装置表现出高的阶梯特异性，非线性为~0.55 和-1.00，不对称比为~0.22，甚至在 20 次循环后仍保持其性能。研究还表明，最大弯曲面为 10 mm，即使经过 700次循环，也能保持神经形态的性能。使用这些参数进行了 MNIST 模拟确认了高达 90.0%以上的精确度，即使在任何弯曲状态下也是如此。该样品合成方法有可能在未来的研究中成长为一个光反应可穿戴设备，因为制造方法具有高度的灵活性。此外它还提出了一种新的方法来合成具有优良性能的神经形态器件，这可以促进使用人工神经网络的大规模数据处理。

文献链接

A Bioinspired Ultra Flexible Artificial van der Waals 2D-MoS2Channel/LiSiOx Solid Electrolyte Synapse Arrays via Laser-Lift Off Process for Wearable Adaptive Neuromorphic Computing

https://doi.org/10.1002/smtd.202201719.

转自：“i学术i科研”微信公众号

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