Advanced Functional Materials:有机单晶纳米带——超低能耗柔性突触晶体管的理想选择

人脑是一个强大而高效的生物计算系统,可以在复杂的情境下同时处理大量信息,具备学习、记忆和识别等多重功能。神经突触作为神经元之间的连接体,是大脑中计算和学习的基本单元,因此设计具有突触行为的仿生突触装置是构建人工神经系统的关键。目前,单个人工突触消耗的能量往往比生物突触(10 fJ)高出几个数量级。试想一下,若要构建由1015个突触构成的神经网络,那么高出的能耗将是一个天文数字。因此,制备超低能耗的人工突触器件是神经形态领域急需解决的问题。针对这一现状,东北师范大学物理学院汤庆鑫教授及其研究团队对这一问题进行了深入的研究,利用有机微纳单晶场效应晶体管结构,成功制备出亚飞焦能量损耗的突触器件。

在低电压、小电流下依然能够正常工作,是降低突触晶体管能耗的关键。一维有机半导体微纳材料载流子浓度低,工作电流小,之前的研究表明其场效应结构突触晶体管在低能耗人工神经系统的应用中存在巨大潜力。但多晶有机纳米线存在大量的晶界和缺陷,人们常采用高介电常数的离子凝胶作为绝缘层以降低工作电压,却容易造成更高的漏电流。汤庆鑫教授团队采用气相输运法生长的红荧烯微纳单晶纳米带,有效降低了场效应结构突触晶体管的沟道宽度,使器件具有超低的工作电流。同时,该团队采用了弹性慢极化绝缘层和内嵌的光刻电极,消除了器件制备过程中对半导体的损伤,充分发挥出红荧烯单晶无缺陷和晶界的优势,确保载流子在导电沟道内高效传输,使器件能在极低的电压下正常工作,成功制备了超低能耗的突触晶体管。实现了能耗低至0.29 fJ的突触事件模拟,并可在超低能耗下实现如短期可塑性(STP)、长期可塑性(LTP)、双脉冲易化(PPF)、高通滤波、突触权重的增强/抑制训练等突触可塑性行为。此外,由于采用低杨氏模量的有机材料和弹性支撑层,器件表现出了优异的柔韧性,即使贴合在草叶和昆虫头部,器件仍然能够维持稳定的突触可塑性行为。

该工作将有机单晶纳米带引入到超低能耗人工突触研究,为有机半导体在下一代超低能耗突触晶体管的应用打下了基础,也为超低能耗人工突触在未来可植入医疗、可穿戴电子领域的发展提供了可能。相关工作在线发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202007894)上。