微電子所任天令教授課題組在《納米快報(bào)》發(fā)文

首次實(shí)現(xiàn)可塑性可調(diào)的石墨烯類(lèi)突觸器件

　　清華新聞網(wǎng)11月12日電 11月4日，清華大學(xué)微電子所任天令教授課題組在納米領(lǐng)域權(quán)威期刊《納米快報(bào)》（NanoLetters）上在線(xiàn)發(fā)表了題為《可塑性可調(diào)的石墨烯動(dòng)態(tài)突觸》（“Graphene Dynamic Synapse with Modulatable Plasticity”）的研究論文，首次實(shí)現(xiàn)了基于二維材料的類(lèi)突觸器件，該工作利用了石墨烯獨(dú)特的雙極型輸運(yùn)特性，通過(guò)改變背柵電壓來(lái)調(diào)控石墨烯的滯回曲線(xiàn)，從而首次實(shí)現(xiàn)了類(lèi)突觸器件的可塑性可調(diào)。微電子所博士畢業(yè)生田禾與碩士生米文天是文章的共同第一作者，任天令教授是論文的通訊作者。

圖 1在神經(jīng)系統(tǒng)中，突觸可塑性的表達(dá)強(qiáng)度是可變可調(diào)控的，這種動(dòng)態(tài)的可塑性與生物體的復(fù)雜行為息息相關(guān)。通過(guò)改變背柵柵壓，石墨烯類(lèi)突觸晶體管的電學(xué)特性也可以被調(diào)制，從而表現(xiàn)出不同類(lèi)型、不同表達(dá)強(qiáng)度的突觸可塑性。

　　近年來(lái)，隨著特征尺寸的不斷縮小，各種物理和技術(shù)上的制約使得微電子器件的發(fā)展遇到了瓶頸。類(lèi)腦計(jì)算概念的提出，為微電子芯片的徹底革新提供了嶄新的途徑。人腦中有數(shù)以?xún)|計(jì)的神經(jīng)元，不同的神經(jīng)元之間又由突觸所連接，在這張龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，突觸扮演著最為基礎(chǔ)和重要的角色，突觸強(qiáng)度的可塑性是實(shí)現(xiàn)記憶和學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。作為類(lèi)腦芯片的基礎(chǔ)，類(lèi)突觸器件近年來(lái)逐漸成為人們研究的焦點(diǎn)。生物體突觸的可塑性是變化的，然而以往的類(lèi)突觸器件的可塑性均是靜態(tài)、不可調(diào)的，這極大制約了類(lèi)腦系統(tǒng)更高程度智能的實(shí)現(xiàn)。

　　任天令教授課題組創(chuàng)新性的采用雙層旋轉(zhuǎn)石墨烯，結(jié)合氧化鋁作為離子傳輸層實(shí)現(xiàn)了類(lèi)突觸器件，同時(shí)通過(guò)背柵作為神經(jīng)調(diào)節(jié)器，來(lái)控制突觸后輸出電流信號(hào)的強(qiáng)度。在負(fù)的背柵電壓下，可實(shí)現(xiàn)興奮型的類(lèi)突觸行為，在正的背柵電壓下，能夠?qū)⑼挥|行為調(diào)制成抑制型，并且還能夠模擬突觸發(fā)育的全過(guò)程。這項(xiàng)工作首次實(shí)現(xiàn)了類(lèi)突觸器件的可塑性可調(diào)，為類(lèi)腦芯片模仿人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更高程度的智能提供了可能，在相關(guān)領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)將會(huì)以《類(lèi)人腦突觸讓電子系統(tǒng)更加智能》“Imitating synapses of the human brain could lead to smarter electronics”為題在其周報(bào)上（Weekly PressPac）發(fā)文亮點(diǎn)報(bào)道這項(xiàng)工作。

圖 2石墨烯類(lèi)突觸器件的結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果，通過(guò)背柵電壓的調(diào)制可調(diào)制類(lèi)突觸器件的可塑性。

　　近年來(lái)，任天令教授致力于石墨烯等二維電子器件的研究，尤其關(guān)注突破傳統(tǒng)器件限制的新型器件，為新一代微納電子器件技術(shù)奠定基礎(chǔ)，在新型石墨烯基發(fā)光器件、存儲(chǔ)器件和聲學(xué)器件等方面已獲得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，如光譜可調(diào)的石墨烯發(fā)光器件，以及存儲(chǔ)窗口可調(diào)的石墨烯阻變存儲(chǔ)器等。該研究成果得到了國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持。

　　論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5b03283

供稿：微電子所 編輯：襄樺