Advanced Materials:用于疼痛感知和敏化可调的亚10nm垂直神经形态晶体管

疼痛感知伤害感受器(PPN)是识别有害刺激最基本感觉神经元。在现实世界中,它可以使人体准确感知异常和危险的情况并使人体做出适当的反应。敏化可调的伤害感受器(SRN)可以使过度兴奋的中枢神经正常化,从而有效地帮助疼痛敏感的病人减少疼痛感觉。对于人工智能设备来说,疼痛感受器的基本功能对于外界信息的采集起着至关重要的作用。因此,利用新兴的纳米器件从硬件上实现PPN和SRN, 可以使智能光电设备根据不同的目的对外界刺激产生不同的敏感性,从而大大提高智能机器设备的效率。近年来, 三端晶体管由于其沟道电导可以有效地被栅极调控,从而为模拟神经元的行为提供了一个高效可行的基本单元。具有声音定位、压力感觉、视觉识别的一系列人工智能三端晶体管电子器件目前已经引起了广泛关注。但是神经形态器件仍然需要进一步开发疼痛感知和疼痛敏化的调节能力。这种能力对于人工智能感知系统来说非常重要,因为这些功能可以使得智能设备对外界的迅速改变做出准确地反应。

中南大学物理与电子学院蒋杰、何军与南京大学万青课题组针对这一问题利用海藻酸钠生物聚合物为栅介质,设计了一种垂直沟道仅为3 nm的可见光波段全透明In-Sn-O (ITO) 神经形态晶体管,并实现了对痛觉感受器生物功能的一系列模拟。这种垂直器件不仅在超短沟道的技术上实现了重要突破,并且在低电压下展现了一个高的电流密度。由于海藻酸钠栅介质中存在的可移动的离子而形成的双电层效应,使得这种类脑神经晶体管成功模拟了伤害感受器的一系列重要的特征,如:疼痛阈值、对先前损伤的记忆、疼痛敏化/脱敏等。这种通过栅压来调控离子迁移的可逆过程,与生物中通过离子浓度来精确调控信息的处理与传递过程非常相似。与此同时,垂直神经形态晶体管的沟道长度对应于其沟道厚度,所以沟道长度可以很容易地被调控。我们连续调节垂直沟道厚度,成功实现了SRN这一重要的痛觉神经功能。SRN这一功能的实现可以针对不同的目的赋予人工智能设备对外界刺激不同的敏感性,从而可以大大提高人工智能电子器件系统的效率。综上所述,该垂直神经形态器件为下一代高性能智能传感器件,人工智能仿生纳米光电器件与系统的集成提供了广阔的发展前景。

相关结果以“Sub-10 nm Vertical Organic/Inorganic Hybrid Transistor for Pain-Perceptual and Sensitization-Regulated Nociceptor Emulation”为题,于近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201906171)上。