有机忆阻器与神经突触仿生取得重要进展

神经突触(synapse)是哺乳动物进行记忆和学习的基本细胞单元,突触功能模拟则是实现仿生电路、开发类人电脑的关键。忆阻器能够根据其任意时刻的阻态来记录所受施的电压和所流经的电荷的变化,这种可连续调节的阻态和“记忆”过往状态的特性与人脑突触在生物电信号刺激下的塑性响应极其类似,是目前已知的功能最接近神经突触的器件。有机高分子材料在机械柔韧性、延展性以及生物相容性方面具有得天独厚的优势,且其电学性能可以通过丰富的化学结构设计与合成得到有效的调控。利用有机高分子功能材料进行忆阻行为调控与神经突触仿生的研究,模拟神经突触处理和学习信息的工作方式,有望使现有计算机系统摆脱经典冯·诺依曼理论的限制,具有处理更加复杂的逻辑问题的能力(参见陈彧教授等撰写的评论文章Mater. Horizons 2014,1(5): 489-506)。

Electronicchentangyu

以华东理工大学陈彧教授、中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘钢研究员和李润伟研究员为主要研究人员组成的合作团队在有机忆阻器与突触仿生方面的研究取得了重要进展。他们采用三苯胺类共轭高分子/紫罗精氧化还原体系为主要研究对象,利用激光显微荧光-半导体参数联合测试系统原位研究了电化学氧化还原反应以及场致离子迁移与掺杂作用与薄膜电输运特性之间的构效关联。发现采用离子输运和补偿掺杂的方式,通过氧化还原作用从三苯胺类高分子主链移走电子产生空穴,不仅能够提高可迁移的载流子的浓度,还可以在原来的能隙中产生新的极化子能级,从而利用相邻基团间的能级差的改变进一步调节载流子的迁移率,实现材料阻态的精准连续调控。进一步地,实现了非线性传送、脉冲速率依赖/脉冲时间依赖塑性、长时/短时塑性以及“学习-经历”行为等生物神经突触特性的模拟,在单一器件结构中完成了数字式信息识别以及模拟式类脑认知计算功能的融合,获得了具有稳定忆阻效应的高分子材料体系,为开发纳米级兼具信息存储和处理功能的存储器件、模仿人脑联想学习特性并进行大规模并行运算提供了科学依据 (Adv. Electr. Mater. 2015,1500298/1-8)。此外,他们还设计和制备了具有自整流效应的不含金属离子的全有机D-A型寡聚物忆阻材料PFD-8CN,该材料的电子导电性能够在ON/OFF态间反复开启,其自整流比为10(J. Mater.Chem.C 2015,3(3): 664-673)。通过连续多级电导开关实现了生物突触的非线性传输特性。

相关文章发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201500298)上。