图片 9

精选专题

成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性

16 4月 , 2020  

最近,我校电子科学与工程学院万青教授、施毅教授课题组在新型柔性神经性态电子器件领域取得系列重要进展,成功实现了基于神经仿生工作原理的柔性、超低能耗pH值探测和神经元spike逻辑调控,上述研究结果为柔性可穿戴式生化传感和“类脑芯片”的研制奠定了坚实的器件基础。

图片 1

成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。“人工智能”是在上世纪50年代提出的,经历了缓慢的发展时期。然而,自2016年“AlphaGo”问世以来,目前AI已经成为全球的研究热点之一,备受关注。值得注意的是,现有的AI技术主要基于传统冯·诺依曼架构,需要采用较为复杂的计算机代码才能实现,其计算模块与存储模块相分离,因此其并行运算能力有限,且能耗较高,对今后非结构化大数据的处理和计算而言,具有一定的局限性。同时,近年来,基于器件层面构建人工生物神经系统,也正在成为AI领域的一个重要分支。突触作为人脑认知行为的基本单元,是神经元间发生联系的关键部位,是构建人工神经网络的重要出发点。在突触仿生电子学方面,目前的研究主要包括两端阻变器件和三端晶体管,这类器件已经模仿了一些从简单到复杂的各种突触功能和神经元功能,有着潜在的应用前景。

成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。课题组人员采用全室温工艺在柔性PET塑料衬底上成功研制了具有多侧栅结构的神经元晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。研究结果表明,当pH值传感的灵敏度定义为不同pH值沟道电导相对变化时,类神经元spike工作模式可以显著提高器件的pH值传感特性。另外该动态工作模式的恢复时间都在毫秒量级,且完成单次传感的能耗可以低达几十pJ。更为重要的是,研究还发现在另外一个调控侧栅电极上施加适当的负偏压,可以进一步提高传感器的pH值灵敏度和进一步降低传感能耗。当在第二个侧栅上施加-0.2V时,器件的pH值探测灵敏度高达~63。有关结果发表在【成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。Scientific
Reports. 5, 18082
成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。 】。

成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。近日,青岛大学电子信息学院单福凯教授课题组在神经形态电子器件领域取得重要进展,该课题组利用电纺ZnSnO纳米线作为沟道材料,成功研制出低功耗纳米线突触晶体管。

近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能材料界面物理与器件应用团队在柔性神经形态器件研究方面取得新进展。他们在柔性PET衬底上制备了以壳聚糖薄膜作为栅介质的、具有学习行为的ITO突触晶体管,其在机械弯曲应力作用1000次后,器件各项性能参数保持稳定;在栅极偏压应力作用8000秒后,发现器件阈值电压呈现一定的漂移,说明研制的晶体管具备学习能力。随后,在研制的柔性ITO薄膜晶体管上模拟了三种突触功能:突触后兴奋电流、双脉冲易化和尖峰时序依赖可塑性。1968年,Atkinson和Shiffrin从心理学层面提出了“人脑多重记忆模型”:感知记忆到短时程记忆以及短程记忆到长时程记忆的转化过程。该团队通过栅脉冲刺激频率和栅脉冲刺激强度的设计,在单一突触晶体管上实现了对“人脑多重记忆模型”的模仿。上述成果发表于ACS
Applied Materials Interfaces
成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。, 2018, 10 , 16881-16886。

图片 2

成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管,并系统研究该柔性器件的pH值传感特性。利用单个电子器件模拟神经形态功能是当前研究领域的一大热点。传统计算系统受限于冯诺依曼瓶颈的制约,在高速传输且大规模处理复杂信号时具有明显的劣势。人脑是一个具有1000亿个神经元和1000万亿个神经突触高度互联,且大规模并行的复杂网络,这种结构使得它具有比传统计算机具有更强健、更可塑、更容错的记忆和学习功能。单福凯教授课题组将离子积累/弛豫过程和经典场效应晶体管特性相结合,成功制备了基于离子-电子耦合的金属氧化物纳米线突触晶体管。该器件成功模拟了双脉冲易化、高通滤波、脉冲时间依赖突触可塑性等生物突触行为。器件具有极低的功耗,单个突触事件的能量消耗只有0.44
pJ,低于绝大部分三端突触器件。这项成果为制备纳米线突触器件提供了新的思路。

生理学上著名的“巴普洛夫狗条件反射”(即经典条件反射实验)是一类重要的联想学习行为,其反映了条件刺激和非条件刺激先后关系对神经元活性的影响行为,在单一器件上实现对这一联想学习行为的模仿是类脑神经形态器件的重要研究内容。值得指出的是,STDP学习法则是重要的突触学习行为,对神经系统认知行为具有重要作用,反映了前、后突触刺激对突触权重的影响规律,是调节高级神经活动的重要突触学习机制。可以看出,条件反射与STDP学习法则具有一定的相似性,受此启发,该团队研制了可重复粘贴的氧化物神经形态晶体管,采用透明聚酰亚胺胶带作为衬底,随后设计了不同波形的突触刺激,成功在单一器件上模仿了生物突触中的四类STDP学习行为,包括Hebbian
STDP,反Hebbian STDP,对称STDP及视觉STDP。Hebbian
STDP的测试曲线拟合参数与生物突触上实测的参数相近,表明该种神经形态晶体管具有类脑操作特性。基于STDP学习法则,无需外加复杂电路和元器件,即可在单一神经形态晶体管上实现对经典条件反射行为的模仿,包括信息的获取、消退和恢复。此外,还成功模拟了经典条件反射里的条件抑制行为,这也是神经形态器件研究中的首次报道。该成果以Restickable
Oxide Neuromorphic Transistors with Spike-Timing-Dependent-Plasticity
and Pavlovian Associative Learning Activities
为题,发表于Advanced
Functional Materials
2018, 28 1804025。

图1.柔性多侧栅神经元晶体管的pH传感器结构示意图及其传感测试照片

上述最新研究结果以“Electrospun ZnSnOnanofibers for neuromorphic
transistors with ultralow energy
consumption”为题发表在国际微电子器件领域的顶级期刊《IEEE Electron

上述工作得到国家自然科学基金委、浙江省杰出青年基金、中科院青年创新促进会、宁波市科技创新团队等的资助。

图片 3

Device
Letters》上,青岛大学为第一通信单位,研究生朱一新为第一作者,单福凯教授为通信作者。

文章链接:1 2

图2. 柔性神经元晶体管的超低功耗spike动态pH值传感特性

关于神经形态技术

图片 4

课题组人员在导电PET衬底上成功研制了基于柔性In-Ga-Zn-O双电层晶体管的超低功耗人造突触器件。由于IGZO双电层晶体管工作在增强型晶体管的亚阈值区域,单spike功耗仅为~0.2pJ。课题组研究人员还单个人造突触器件上实现了双脉冲易化和突触滤波功能的仿生,如图3所示。有关结果发表在【IEEE
Electron Device Letters. 36, 2, 198
】。

神经形态技术将是高性能计算的下一个发展阶段,它能够大幅提升数据处理能力和机器学习能力。IBM公司2014年8月所公布的百万神经元级别的TrueNorth芯片,在执行某些任务时,其能效可达传统中央处理器的数百倍,首次与人脑的大脑皮层有了可比之处。

图1 “多重记忆”示意图及测试结果

图片 5

图片 6

图3. 超低功耗IGZO突触晶体管及其突触特性仿生

图2 “巴普洛夫”条件反射示意图

最近课题组人员采用简单的涂布、剥离工艺制备了具有高质子导电特性的自支撑壳聚糖膜,并在此基础上研制了自支撑柔性突触/神经元晶体管,实现了包括兴奋性后突触电流、双脉冲易化、短程/长程记忆等特性的仿生。最后还通过在第三个调制端施加调控脉冲实现了动态逻辑“与”和“或”的调控,如图4所示。有关结果发表在【Advanced
Materials. 27, 5599
】。

图片 7

图片 8

图3 器件Hebbian STDP测试结构及条件反射测试方案示意图

图4. 柔性自支撑壳聚糖耦合的突触/神经元晶体管及其神经仿生特性

图片 9

该研究得到了国家杰出青年基金、科技部“973”项目、江苏省双创团队、江苏省双创人才计划等项目和计划的资助。

图4 “巴普洛夫”条件反射测试结果

(电子科学与工程学院 科学技术处)


相关文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

网站地图xml地图