北京大学深圳研究生院张敏课题组 Nanoscale 封面： 超低功耗柔性透明碳纳米管突触晶体管

点击蓝字关注我们

引言

利用类脑神经形态器件模拟人脑的生物行为，对未来人机交互系统、仿生传感系统和智能机器人的发展具有重要意义。张敏课题组采用聚乙烯醇(PVA)和二氧化硅（SiO₂）作为混合介电层，实现了具有信号传输和情感记忆功能的柔性透明碳纳米管突触晶体管(F-CNT-ST)。研究结果表明 F-CNT-ST 可以模拟生物突触的兴奋性和抑制性行为。研究团队对突触可塑性包括脉冲时间依赖性可塑性、脉冲数目依赖性可塑性、脉冲幅度依赖性可塑性、成对脉冲易化性、短期可塑性和长期可塑性等进行了系统研究。该突触晶体管具有低工作电压、超低功耗、快响应速度等特点，在低功耗生物系统和人工智能系统中具有很高的应用潜力。该成果以“Ultralow-power Flexible Transparent Carbon Nanotube Synaptic Transistors for Emotional Memory” 为题发表在英国皇家化学学会期刊 Nanoscale 上，并被选为封面文章(Outside Front Cover)。

研究背景

柔性人工突触晶体管器件的实现和生物神经网络的仿真对于构建先进的可穿戴或可植入仿生系统具有重要意义。具有记忆和学习功能的人工突触器件也是实现神经形态计算系统的关键。采用人工神经形态器件模拟人脑的生物行为已被广泛研究，但对降低工作电压和功耗的关注却很少，限制了人工突触器件在特定场合下的应用。因此，探索一种低功耗、低电压的突触晶体管成为亟待解决的科学问题。

碳纳米管具有优异的电学、热学和力学性能，为实现稳定的柔性人工突触器件奠定了基础。另一方面，聚乙烯醇水凝胶表现出优异的机械拉伸性能，具有低毒和良好的生物相容性等优点，在伤口愈合及人工皮肤等生物医学应用领域具有优势。

基于此，该研究团队提出一种基于 PVA/SiO₂ 混合介电层的柔性透明碳纳米管突触晶体管，其中 PVA 水凝胶可以提供可移动的质子，而 SiO₂ 作为电荷捕获层。此外，在氧等离子体刻蚀和碳纳米管溶液法成膜工艺中，SiO₂ 薄膜能起到保护PVA水凝胶膜的作用。PVA/SiO₂ 混合介质的质子传导机制和电荷捕获特性使 F-CNT-ST 能够实现突触特性，并研究了其在类大脑学习和情感记忆功能的应用。F-CNT-ST 在经过半径低至 3 mm 的 1000 次弯曲循环后，仍能保持良好的突触功能。此器件具有低工作电压、快响应速度、超低功耗的特点，在柔性神经形态应用方面展示出广阔的应用前景。

图文介绍

▲	图 1. F-CNT-ST 器件的结构、形貌、电学表征、材料学表征及机理分析。

▲	图 2. 单脉冲时不同的持续时间和不同脉冲幅度下器件仿突触的兴奋性和抑制性。

▲	图 3. 多脉冲时不同间隔时间下器件仿突触的兴奋性和抑制性。

▲	图 4. 器件的长期突触可塑性，模拟情绪记忆的长期增强和长期抑制行为。

▲	图 5. 弯曲测试后器件的突触可塑性。

总结展望

本文提出的柔性透明碳纳米管突触晶体管不仅能通过短期可塑性对输入信号进行识别和处理，还能通过长期可塑性实现人脑的学习和情绪记忆功能。该突触晶体管具有高柔韧性、低工作电压、超低功耗、快响应速度等特点，为低功耗柔性仿生系统和柔性生物电子的发展提供一种新思路。

本研究得到国家自然科学基金（62074008），深圳市科技创新委员会基础研究布局项目（JCYJ20180507181702150），以及广东省科技计划（2019A0011）的资助。

原文链接
http://doi.org/10.1039/D1NR02099D

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。