中科院纳米能源所王中林院士、翟俊宜研究员《Sci. Bull.》：受触觉启发摩擦电调控的基于可重构p-n结的人工突触

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人工突触是神经形态系统的重要功能组成部分。目前基于两端和三端的记忆器件由于可以成功模拟典型的突触功能而引起了人们的广泛关注。然而，以往的人工突触存在着破坏性权重更新、有限的调制范围或者功耗高等明显问题。因此，研究一种高效率、低功耗且可以主动式驱动的人工突触十分重要。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所翟俊宜研究员课题组与王中林院士在《Science Bulletin》期刊上发表了题为“Tactile Tribotronic Reconfigurable p-n Junctions for Artificial Synapses”的论文（DOI: 10.1016/j.scib.2021.12.014）。该论文将摩擦纳米发电机和半浮栅晶体管结合，提出了一种机械位移调控下可重构的p-n结并进一步实现了低功耗和自驱动的触觉传感系统。

本文要点

（1）在半浮栅的协同作用下，摩擦电势可以灵活地控制和切换器件的工作状态（p-n结和n⁺-n结），制备了一种机械位移作用下的可重构且非易失的p-n结，并且表现出了明显的整流性能（整流比为2.96×10³）。

（2）机械位移信号可以触发突触晶体管，大范围地调节突触权值，并成功模拟了兴奋性/抑制性突触后电流、配对脉冲易化和抑制、长时程增强和抑制以及学习经验行为等典型的突触行为，实现了机械位移衍生的突触可塑性。

（3）摩擦电势可以替代栅压对人工突触进行有效的调控，这种设计可以大幅度地降低突触能耗至与生物可比拟的fJ水平，实现了一种自驱动和主动交互式的神经系统，在构建低功耗的神经形态触觉网络和智能交互系统方面具有良好的应用前景。

图1（a）人体触觉神经系统及突触示意图。（b）摩擦纳米发电机驱动的人工感知突触器件。（c）器件的SEM图像。（d）器件的AFM图像。（e）石墨烯、氮化硼及异质结区域的拉曼光谱图。

图2（a）半浮栅晶体管的原始I_d-V_ds曲线。插图是小扫描电压范围下的输出曲线。（b）在硅控制栅极上施加机械位移脉冲后晶体管的I_d-V_ds曲线。（c）施加不同机械位移脉冲后晶体管的I_d-V_ds曲线。（d-f）施加正位移脉冲后p-n结形成的工作机理示意图及能带图。

图3（a）双向栅压扫描下半浮栅晶体管的转移曲线，曲线方向由箭头表示。（b）施加不同位移脉冲后晶体管的保持性能。（c-d）V_ds=±1 V时晶体管在写入态和擦除态之间的动态切换行为。

图4（a）正位移脉冲触发的瞬时抑制性突触后电流IPSC。（b）负位移脉冲触发的瞬时兴奋性突触后电流EPSC。（c）IPSC对连续正位移脉冲不同幅值的响应。（d）EPSC对连续负位移脉冲不同幅值的响应。（e）IPSC对正位移脉冲不同持续时间的响应。（f）EPSC对负位移脉冲不同持续时间的响应。其中（e）和（f）的插图为提取的突触权重（ΔPSC/PSC）与位移脉冲宽度的关系。

图5 （a）生物突触和人工突触传递信息的示意图。（b）配对脉冲抑制（PPD）和易化（PPF）行为。（c）提取的PPD指数随施加位移的变化。（d）EPSC随位移脉冲数量的变化。（e）突触后电流的增益与位移脉冲数量的关系。（f）EPSC增益与位移脉冲数量的关系。（g）施加不同数量的位移脉冲时EPSC的变化，展示了突触由短时记忆向长时记忆的转化。（h）学习经验行为的模拟。

中科院北京纳米能源与系统研究所博士研究生贾萌萌和郭鹏文为该论文的第一作者，通讯作者为王中林院士和翟俊宜研究员。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.12.014

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