首次實現可塑性可調的石墨烯類突觸器件

2020-12-08 清華大學新聞網

微電子所任天令教授課題組在《納米快報》發文

首次實現可塑性可調的石墨烯類突觸器件

　　清華新聞網11月12日電 11月4日，清華大學微電子所任天令教授課題組在納米領域權威期刊《納米快報》（NanoLetters）上在線發表了題為《可塑性可調的石墨烯動態突觸》（「Graphene Dynamic Synapse with Modulatable Plasticity」）的研究論文，首次實現了基於二維材料的類突觸器件，該工作利用了石墨烯獨特的雙極型輸運特性，通過改變背柵電壓來調控石墨烯的滯回曲線，從而首次實現了類突觸器件的可塑性可調。微電子所博士畢業生田禾與碩士生米文天是文章的共同第一作者，任天令教授是論文的通訊作者。

圖 1在神經系統中，突觸可塑性的表達強度是可變可調控的，這種動態的可塑性與生物體的複雜行為息息相關。通過改變背柵柵壓，石墨烯類突觸電晶體的電學特性也可以被調製，從而表現出不同類型、不同表達強度的突觸可塑性。

　　近年來，隨著特徵尺寸的不斷縮小，各種物理和技術上的制約使得微電子器件的發展遇到了瓶頸。類腦計算概念的提出，為微電子晶片的徹底革新提供了嶄新的途徑。人腦中有數以億計的神經元，不同的神經元之間又由突觸所連接，在這張龐大的神經網絡中，突觸扮演著最為基礎和重要的角色，突觸強度的可塑性是實現記憶和學習的基礎。作為類腦晶片的基礎，類突觸器件近年來逐漸成為人們研究的焦點。生物體突觸的可塑性是變化的，然而以往的類突觸器件的可塑性均是靜態、不可調的，這極大制約了類腦系統更高程度智能的實現。

　　任天令教授課題組創新性的採用雙層旋轉石墨烯，結合氧化鋁作為離子傳輸層實現了類突觸器件，同時通過背柵作為神經調節器，來控制突觸後輸出電流信號的強度。在負的背柵電壓下，可實現興奮型的類突觸行為，在正的背柵電壓下，能夠將突觸行為調製成抑制型，並且還能夠模擬突觸發育的全過程。這項工作首次實現了類突觸器件的可塑性可調，為類腦晶片模仿人腦神經網絡更高程度的智能提供了可能，在相關領域具有深遠的意義，美國化學學會將會以《類人腦突觸讓電子系統更加智能》「Imitating synapses of the human brain could lead to smarter electronics」為題在其周報上（Weekly PressPac）發文亮點報導這項工作。

圖 2石墨烯類突觸器件的結構和測試結果，通過背柵電壓的調製可調製類突觸器件的可塑性。

　　近年來，任天令教授致力於石墨烯等二維電子器件的研究，尤其關注突破傳統器件限制的新型器件，為新一代微納電子器件技術奠定基礎，在新型石墨烯基發光器件、存儲器件和聲學器件等方面已獲得了多項創新成果，如光譜可調的石墨烯發光器件，以及存儲窗口可調的石墨烯阻變存儲器等。該研究成果得到了國家自然基金重點項目支持。

　　論文連結：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5b03283

供稿：微電子所 編輯：襄樺

 

 

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