中科院物理所制備基于二維層狀氧化鉬的全固態(tài)神經(jīng)突觸晶體管
人類的大腦可以認為是一種高效的信息存儲與計算系統(tǒng),具有非常低的功耗(~ 20 W)。這主要源于人腦對信息處理的獨特方式。人腦中存在大量的神經(jīng)元,其相互連接構(gòu)成復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。每兩個神經(jīng)元的連接點稱為突觸,信息通過突觸連接強度(即突觸權(quán)重)的變化進行存儲與計算。突觸可塑性即是通過特定模式的突觸活動產(chǎn)生突觸權(quán)重變化的生物過程,這個過程被認為是大腦學(xué)習(xí)和記憶的源頭。可以看出,人腦是一種典型的非馮·諾依曼構(gòu)架,即存儲與計算于一體的并行信息處理模式,并且具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力、高的容錯能力和抗干擾能力。隨著人類社會數(shù)據(jù)量的急劇增加以及數(shù)據(jù)類型復(fù)雜程度的提高,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)型信息處理模式的效率將會明顯優(yōu)于傳統(tǒng)計算機。因此,開發(fā)符合神經(jīng)形態(tài)存儲與計算特性的電子器件并進而構(gòu)建大規(guī)模人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),成為未來信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向。這一目標的實現(xiàn)將依賴于基礎(chǔ)科學(xué)在新材料和新原理方面的探索。 突觸晶體管是近年來提出的一種三端憶阻器件,利用其電阻態(tài)的非易失性連續(xù)變化可以進行神經(jīng)突觸功能的模擬。其結(jié)構(gòu)和工作模式與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硅基場效應(yīng)晶體管相似,通過施加?xùn)艠O電壓來調(diào)節(jié)憶阻晶體管源極和漏極之間溝道電阻的大小。但是,與硅基場效應(yīng)晶體管不同的是,突觸晶體管采用了具有遷移離子的電解質(zhì)材料代替二氧化硅作為柵隔離層。在柵極電壓作用下,遷移離子與溝道材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并注入到溝道中,使得在柵極電壓去除后,溝道電阻的變化可以保持下來。近期,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點實驗室孫陽研究組利用二維層狀α-MoO3單晶薄片作為溝道材料,離子液體作為柵極,實現(xiàn)了這種突觸晶體管,利用該器件的電阻態(tài)的變化,成功模擬了突觸權(quán)重增強和減弱、短時記憶至長時記憶的轉(zhuǎn)變等典型神經(jīng)突觸可塑性行為 [Advanced Materials 29, 1700906 (2017)]。然而,由于這種突觸晶體管采用離子液體作為柵隔離層,并且溝道電導(dǎo)的變化行為強烈依賴于環(huán)境的濕度變化,不利于實現(xiàn)大規(guī)模陣列器件的制備和應(yīng)用,需要進一步開發(fā)具有新機制或新結(jié)構(gòu)的全固態(tài)突觸晶體管器件。 |