氧化物類腦神經(jīng)形態(tài)器件研究取得進(jìn)展

人腦中有約1011個(gè)神經(jīng)元和約1015個(gè)突觸連接，突觸結(jié)構(gòu)是神經(jīng)元間發(fā)生信息傳遞的關(guān)鍵部位，是人腦認(rèn)知行為的基本單元，因此研制人造突觸器件對于神經(jīng)形態(tài)工程而言具有重要意義。近年來，類腦神經(jīng)形態(tài)器件正在成為人工智能和神經(jīng)形態(tài)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，將為今后人工智能的發(fā)展注入新的活力。目前，國際上報(bào)道的人造突觸器件主要為兩端阻變器件和三端晶體管器件。離子液和離子凝膠電解質(zhì)具有獨(dú)特的離子界面耦合特性及相關(guān)的界面電化學(xué)過程，其在神經(jīng)形態(tài)器件和系統(tǒng)方面有著極強(qiáng)的應(yīng)用前景。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所功能材料界面物理與器件應(yīng)用團(tuán)隊(duì)在前期工作中，制備了具有室溫質(zhì)子導(dǎo)電特性的固態(tài)離子液電解質(zhì)薄膜，并采用這類電解質(zhì)作為柵介質(zhì)制作了具有低工作電壓的氧化物雙電層薄膜晶體管（<1.5V)，相關(guān)工作發(fā)表于IEEE Electron Dev.Letters，36(2015)799/38(2017)322等。這類室溫質(zhì)子導(dǎo)體還具有極強(qiáng)的側(cè)向離子耦合特性，基于這一特性，設(shè)計(jì)了具有側(cè)向耦合結(jié)構(gòu)的氧化物雙電層薄膜晶體管，克服了傳統(tǒng)氧化物薄膜晶體管通常需要采用頂柵或底柵結(jié)構(gòu)的限制，相關(guān)工作發(fā)表于Appl.Phys.Lett.， 105(2014)243508，ACS Appl.Mater. Interfaces.，7(2015)6205等。基于器件的界面質(zhì)子耦合特性，這類器件在類腦神經(jīng)形態(tài)器件方面有著一定的應(yīng)用價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)程突觸塑性行為、雙脈沖異化行為、時(shí)空信息整合和超線性/亞線性整合行為等，相關(guān)工作發(fā)表于Nat.Commu.， 5(2014)3158， Appl.Phys.Lett.， 107(2015)143502， ACS appl.Mater.Inter.， 8(2016)21770/9(2017)37064等。

最近，該團(tuán)隊(duì)及其合作者設(shè)計(jì)了氧化物神經(jīng)形態(tài)晶體管，實(shí)現(xiàn)了對霍奇金-赫胥黎（Hodgkin-Huxley）膜電位行為的模仿。他們首先制備了多孔磷硅玻璃納米顆粒膜，呈現(xiàn)了室溫質(zhì)子導(dǎo)電特性和雙電層耦合行為，薄膜具有不同于傳統(tǒng)熱氧化SiO2柵介質(zhì)的充放電行為。三明治結(jié)構(gòu)（MIM）電容經(jīng)過電流充電后，其電勢呈現(xiàn)了短時(shí)程塑性行為和非易失性行為（長時(shí)程塑性行為）。生物突觸通常由突觸前膜、突觸間隙、突觸后膜組成，在膜生物物理中，生物突觸膜通常可以采用霍奇金-赫胥黎（Hodgkin-Huxley）膜電位模型加以說明，脂質(zhì)膜被等價(jià)為一個(gè)電容CLipid，脂質(zhì)膜上存在一些離子通道，可以將離子泵和離子通道分別看成電源（En）和電阻（Gn）。而對于離子導(dǎo)體電解質(zhì)，通常可以簡化為電容（C）和電阻（R）的組合電路。因此，氧化物雙電層薄膜晶體管與霍奇金-赫胥黎（Hodgkin-Huxley）膜電位模型存在相似之處。他們設(shè)計(jì)了具有雙柵結(jié)構(gòu)的氧化物雙電層薄膜晶體管，器件的等效電路圖與Hodgkin-Huxley等效電路類似。通過電脈沖刺激，在器件上測試了膜電位響應(yīng)，包括靜息電位、興奮性/抑制性突觸膜電位等。相關(guān)研究成果以Hodgkin–Huxley Artificial Synaptic Membrane Based on Protonic/Electronic Hybrid Neuromorphic Transistors為題，發(fā)表于Advanced Biosystems 2(2018)1700198上。