【期刊】更聪明的巴甫洛夫狗：南京大学施毅、李昀团队提出了一种全新的平面双端联想型有机神经形态器件 | Research

南京大学施毅教授与李昀教授的团队提出了一种全新的平面双端联想型有机神经形态器件，在单一器件中将离散的输入信号相互关联。器件展现出与生物相近的高度可调性，就像一只更聪明的巴甫洛夫狗，可将来自环境的多种输入信号高效地整合在一起，该成果以“A Smarter Pavlovian Dog with Optically Modulated Associative Learning in an Organic Ferroelectric Neuromem”为题发表在Research上。

Citation: Mengjiao Pei, Changjin Wan, Qiong Chang, Jianhang Guo, Sai Jiang, Bowen Zhang, Xinran Wang, Yi Shi, Yun Li, "A Smarter Pavlovian Dog with Optically Modulated Associative Learning in an Organic Ferroelectric Neuromem", Research, vol. 2021, Article ID 9820502, 10 pages, 2021. https://doi.org/10.34133/2021/9820502

研

究

背

景

随着人工智能大数据时代的发展，传统冯诺依曼架构计算系统逐渐无法满足计算硬件与系统的高要求。受生物启发，高效灵活的信息处理与计算模式的神经形态计算技术，有望突破传统电子计算机技术的性能极限。因此，模拟生物神经系统，并建立具有高效联想学习模式的神经形态网络，将为发展下一代的新型有机神经形态器件开辟新的道路。从器件层面而言，亟需研发具有高度的信息整合能力的联想学习器件，从而使离散事物相互关联，并通过自身的高度可调性将来自环境的多种信号整合在一起。

研

究

进

展

南京大学施毅教授与李昀教授的团队利用超薄铁电聚合物P(VDF-TrFE)和有机小分子半导体C8-BTBT，制备了一个具有平面双端结构的光调制有机神经形态器件。其中，外加电场可以有效翻转超薄铁电聚合物晶态薄膜的极化方向，这也是在单一器件中实现联想学习的基础（图1）。

图1 功能薄膜的器件结构和表征

得益于超薄功能层的结构特性，在平面内两个电极之间施加电压也可以有效地实现场调制。通过施加不同的电压，翻转向上和向下的铁电极化，可有效调控载流子在半导体沟道中的积累和耗尽。基于铁电极化翻转，使用紫外光源进一步研究器件的光电性能。当铁电极化向上时，由于光照时光生载流子的产生，沟道中的电流迅速增加。光照结束后，由于没有额外的光生载流子，电流迅速恢复到初值。有趣的是，当铁电极化方向向下时，同一器件展现出塑性可调的光电突触行为。沟道电导在光照时增加，在暗态时逐渐衰减（图2）。

图2 器件中的极化翻转和光电耦合

随后，作者将界面上独特的光电效应与铁电极化翻转结合起来，使电荷载流子的高度可调成为可能。在一个完整的训练过程中，训练周期可借助光照条件的变化灵活调整学习速度，器件表现的就像一只“更聪明的巴甫洛夫狗”，同时，在训练前后的大输出差异非常类似于全有或全无的生物感觉/运动神经元尖峰放电的无损耗传导（图3）。

图3 光可调的联想学习过程

联想学习过程中高效的光电耦合，展现了两个不同事件之间关系建立过程的高度可调，将密码转化为具有相应密钥的明码也是一个事件A连接到事件B的过程，因此，联想学习过程与密码学中秘钥的特性有本质上的相似性，有别于光电子器件中常见的静态加密方法，联想学习是一种动态过程，可以通过外部光电信号的调整在同一器件中随时改变想要传输的信息。此外，器件中基于光电耦合的独特光调制可以增加密钥的复杂性，从而大大提高了解码的难度。作为概念验证的演示，作者设计了一种基于器件特性的编码方法，在单一的联想学习型器件实现密码学应用（图4）。

图4 基于巴甫洛夫联想学习的密码学应用演示

除了对动态学习过程的调节，器件中的高效光电耦合也有利于实现光电布尔逻辑应用。一般来说，OR和AND是两个基本的逻辑门，在传统电路设计中，需要六个以上的晶体管来完成这些操作。作者通过同时改变电脉冲和光操作，在单一器件中，将光信号和电信号作为两个输入，实现了可重构性的OR和AND门操作（图5）。

图5 基于光电耦合的逻辑器件

作

者

简

介

施毅教授现任电子科学与工程学院微电子与光电子学系教授、博士生导师，教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者、全国宝钢教育基金优秀教师特等奖获得者。近年主要从事纳米电子、光电子材料、物理与器件等科研工作。主持和承担了二十多项国家自然科学基金、“973”和“863”等研究课题，包括主持国家重大科学研究计划“纳米研究”项目。发表和合作发表SCI学术论文300余篇，申请/获得国家发明专利40项。有关研究成果曾荣获国家自然科学二等奖和国家技术发明三等奖各1项，省部级科技进步一等奖1项。

李昀教授现任南京大学电子科学与工程学院教授、博士生导师。长期从事有机电子学领域的研究工作，在有机晶体生长与物性调控、以及先进有机光电器件等方面取得多项国际领先的研究成果。目前，共发表SCI论文80余篇，引用超过3000次。近年来聚焦于二维有机晶体开展系统研究工作，取得了多项具有开创性、引领性的科研成果，2021年获得江苏省杰出青年基金。

《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表先进能源、先进制造、先进材料、人工智能、环境科学、柔性电子、健康科学、信息科学、微纳科技、量子信息、空间科学，11个热点交叉领域突破性原创研究成果。第二届编委会由许宁生、高松、黄如、李兰娟、饶子和、俞书宏、崔铁军等国内外50余位院士在内的170位编委组成。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、SCIE、INSPEC、PMC、Scopus、SAO/NASA Astrophysics Data System数据库收录。

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DOI Prefix: 10.34133

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