JPhysD编辑优选：电解质调控氧化物神经元晶体管中的仿生异源突触机制研究

Ting Yu Long, Li Qiang Zhu, Zheng Yu Ren, Yan Bo Guo

通讯作者：

• 竺立强，宁波大学

图1  壳聚糖-淀粉复合电解质调控氧化物神经元晶体管制备工艺

图2  氧化物神经元晶体管树突整合行为及异源突触机制

图3  氧化物神经元晶体管的ASCII码编译

本文采用壳聚糖-淀粉复合电解质作为栅介质，研制具有多栅结构的氧化物神经元晶体管，电解质具有极强的双电层调控行为。将栅极作为突触前端，沟道作为突触后端，在栅极上施加正或负电压脉冲刺激，可以实现对突触权重增强或减弱行为的模仿。器件呈现了经验依赖突触响应特性，在不同初始刺激条件下，器件在相同刺激时，具有不同的突触响应行为，呈现了增强性或抑制性响应特性。异源突触机制是一类重要的突触响应行为，通过调控端的调控作用，突触连接强度将得到有效调控，其在稳定突触权重或突触竞争方面扮演了重要作用。将氧化物神经元晶体管中的一个栅极作为调控端，其它栅极作为突触前端，可以实现对树突神经元行为的模仿，同时可以实现对异源突触塑性行为的模仿。通过调控端的调控作用，在相同的正电压脉冲刺激下，器件具有不同的后突触电流响应行为，呈现了兴奋性或抑制性响应特性。将两个正电压脉冲刺激作用于两个突触前端，器件呈现了兴奋性整合行为，而通过调控端的调控作用，器件实现了从兴奋性整合行为到抑制性整合行为的转变。该神经元晶体管还呈现了二进制ASCII码编译行为，可以对电流信息进行编译，比如可以实现对“NBU+NIMTE”或“2019”信息的编译。结果表明，这一仿生神经元晶体管在类脑神经形态系统中有着极强的应用潜力。

研究背景：

近年来，随着人工智能技术(AI)的发展，神经形态器件的研究受到了人们的广泛关注，基于新型功能材料的设计和新原理器件的开发，人们提出了各种类型的神经形态器件。目前，有关神经形态器件的研究，正在成为人工智能技术研究的一个重要分支。突触作为人脑认知行为的基本单元，是神经元间发生联系的关键部位，是构建人工神经网络的重要出发点，因此有关神经元信息处理的模仿又是神经形态器件研究的重要内容。离子/电子耦合器件具有独特的离子驰豫行为、类生物离子驰豫效应和较低的器件操作电压等特点，因此，这类器件可以用于模仿生物突触功能进而构建仿生神经网络，为实现基于硬件的AI提供了新的思路，相关研究也受到了学术界的关注。

作者介绍

竺立强，宁波大学物理科学与技术学院教授，入选中科院青年创新促进会会员、浙江省杰出青年基金、浙江省151人才、浙江省高校领军人才、宁波市领军拔尖人才。主要从事功能材料界面物理及类脑神经形态器件方面的研究工作。在Nature Communications, Progress in Materials Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Applied Materials & Interfaces, Applied Physics Letters等期刊发表SCI论文百余篇，H因子28；参与编写英文专著二部，多次应邀参加国内外学术会议(邀请报告、口头报告)。