氧化物類腦神經形態器件研究取得進展

人腦中有約1011個神經元和約1015個突觸連接，突觸結構是神經元間發生信息傳遞的關鍵部位，是人腦認知行為的基本單元，因此研制人造突觸器件對于神經形態工程而言具有重要意義。近年來，類腦神經形態器件正在成為人工智能和神經形態領域的一個重要分支，將為今后人工智能的發展注入新的活力。目前，國際上報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具有獨特的離子界面耦合特性及相關的界面電化學過程，其在神經形態器件和系統方面有著極強的應用前景。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所功能材料界面物理與器件應用團隊在前期工作中，制備了具有室溫質子導電特性的固態離子液電解質薄膜，并采用這類電解質作為柵介質制作了具有低工作電壓的氧化物雙電層薄膜晶體管（<1.5V)，相關工作發表于IEEE Electron Dev.Letters，36(2015)799/38(2017)322等。這類室溫質子導體還具有極強的側向離子耦合特性，基于這一特性，設計了具有側向耦合結構的氧化物雙電層薄膜晶體管，克服了傳統氧化物薄膜晶體管通常需要采用頂柵或底柵結構的限制，相關工作發表于Appl.Phys.Lett.， 105(2014)243508，ACS Appl.Mater. Interfaces.，7(2015)6205等。基于器件的界面質子耦合特性，這類器件在類腦神經形態器件方面有著一定的應用價值，可以實現短時程突觸塑性行為、雙脈沖異化行為、時空信息整合和超線性/亞線性整合行為等，相關工作發表于Nat.Commu.， 5(2014)3158， Appl.Phys.Lett.， 107(2015)143502， ACS appl.Mater.Inter.， 8(2016)21770/9(2017)37064等。

最近，該團隊及其合作者設計了氧化物神經形態晶體管，實現了對霍奇金-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，呈現了室溫質子導電特性和雙電層耦合行為，薄膜具有不同于傳統熱氧化SiO2柵介質的充放電行為。三明治結構（MIM）電容經過電流充電后，其電勢呈現了短時程塑性行為和非易失性行為（長時程塑性行為）。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，脂質膜被等價為一個電容CLipid，脂質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）。而對于離子導體電解質，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。他們設計了具有雙柵結構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，包括靜息電位、興奮性/抑制性突觸膜電位等。相關研究成果以Hodgkin–Huxley Artificial Synaptic Membrane Based on Protonic/Electronic Hybrid Neuromorphic Transistors為題，發表于Advanced Biosystems 2(2018)1700198上。