Advanced Functional Materials:基于离子双向传输和超灵敏脉冲响应的MXene/电解质人工突触

突触是神经元之间相互接触、并借以传递信息的关键部位。人工神经系统中的关键部件也通过模拟生物神经元间突触间隙的行为来实现信息的传递、处理和整合。为了构建一个能够解决复杂问题的人工神经系统,人们已经开发了多种类型的人工突触器件,例如忆阻器,突触晶体管。在基于离子迁移的突触器件中,因它们的低能耗、多记忆状态和稳定运行等诸多优点而备受青睐。然而,单一突触器件上脉冲灵敏度、功耗、和工作频率等关键问题的探究对于构建人工神经系统仍具有重要意义。

近日,南开大学光电子薄膜器件与技术研究所徐文涛教授团队通过构筑垂直结构两端突触器件对上述关键问题进行了一些探讨:利用离子在MXene表面的吸脱附甚至层间插入的电化学行为,模拟基本的脉冲依赖可塑性、记忆增强、和树突整合功能等。这种人工突触耗电低,对数十毫伏的小脉冲依然有良好的响应。这项工作为超灵敏人工神经系统的研究提供了新的途径,相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202007232)上。

MXene是一个新的二维过渡金属碳化物/碳氮化物家族,它们具有优异的电气、物理和化学性质,并已应用于储能、催化、化学传感、和电子器件等研究领域中。与此同时,MXene固有的层间距大、导电性好、离子扩散速率快,有利于阴阳离子的存储和释放,可能是电子设备的一个很好的候选者。MXene与锂盐聚合物电解质(LPE)层结合的设计策略以构筑电池结构的人工突触装置,模仿了突触间隙处生物信号的传递过程。通过离子在MXene表面的吸脱附和层间的插入来调节突触连接的强度,进而实现多种突触可塑性的模拟。

团队的研究者们利用MXene纳米片薄膜作为突触后膜来接纳来自突触前膜的离子类神经递质,完成突触后电流的触发。前突触脉冲参数的改变实时调节了后突触响应。MXene作为突触后膜不仅具有更多的离子存储位置,低的离子扩散势垒,而且可在较低的脉冲下响应,这些优势使得MXene人工突触对较低幅值的脉冲具有很高的灵敏性,并展现较低的功耗。基于以上诸多关键特征,可以通过构筑多个突触间隙模拟信息整合和记忆增强等功能。进一度的,研究者们对比发现,MXene突触后膜有着显著的离子的双向传输特性。这一构建策略为两端结构的人工突触设计提供了新的视角,且为高灵敏脉冲响应的人工神经系统提供了新的研究思路。