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2018-11-01 13:14 |
中科院物理所制備基于二維層狀氧化鉬的全固態(tài)神經(jīng)突觸晶體管
人類的大腦可以認(rèn)為是一種高效的信息存儲與計(jì)算系統(tǒng)，具有非常低的功耗（~ 20 W）。這主要源于人腦對信息處理的獨(dú)特方式。人腦中存在大量的神經(jīng)元，其相互連接構(gòu)成復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。每兩個(gè)神經(jīng)元的連接點(diǎn)稱為突觸，信息通過突觸連接強(qiáng)度（即突觸權(quán)重）的變化進(jìn)行存儲與計(jì)算。突觸可塑性即是通過特定模式的突觸活動產(chǎn)生突觸權(quán)重變化的生物過程，這個(gè)過程被認(rèn)為是大腦學(xué)習(xí)和記憶的源頭�？梢钥闯觯四X是一種典型的非馮·諾依曼構(gòu)架，即存儲與計(jì)算于一體的并行信息處理模式，并且具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力、高的容錯(cuò)能力和抗干擾能力。隨著人類社會數(shù)據(jù)量的急劇增加以及數(shù)據(jù)類型復(fù)雜程度的提高，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)型信息處理模式的效率將會明顯優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。因此，開發(fā)符合神經(jīng)形態(tài)存儲與計(jì)算特性的電子器件并進(jìn)而構(gòu)建大規(guī)模人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，成為未來信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將依賴于基礎(chǔ)科學(xué)在新材料和新原理方面的探索。 _v~c3y).
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突觸晶體管是近年來提出的一種三端憶阻器件，利用其電阻態(tài)的非易失性連續(xù)變化可以進(jìn)行神經(jīng)突觸功能的模擬。其結(jié)構(gòu)和工作模式與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硅基場效應(yīng)晶體管相似，通過施加?xùn)艠O電壓來調(diào)節(jié)憶阻晶體管源極和漏極之間溝道電阻的大小。但是，與硅基場效應(yīng)晶體管不同的是，突觸晶體管采用了具有遷移離子的電解質(zhì)材料代替二氧化硅作為柵隔離層。在柵極電壓作用下，遷移離子與溝道材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并注入到溝道中，使得在柵極電壓去除后，溝道電阻的變化可以保持下來。近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫陽研究組利用二維層狀α-MoO3單晶薄片作為溝道材料，離子液體作為柵極，實(shí)現(xiàn)了這種突觸晶體管，利用該器件的電阻態(tài)的變化，成功模擬了突觸權(quán)重增強(qiáng)和減弱、短時(shí)記憶至長時(shí)記憶的轉(zhuǎn)變等典型神經(jīng)突觸可塑性行為 [Advanced Materials 29, 1700906 (2017)]。然而，由于這種突觸晶體管采用離子液體作為柵隔離層，并且溝道電導(dǎo)的變化行為強(qiáng)烈依賴于環(huán)境的濕度變化，不利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列器件的制備和應(yīng)用，需要進(jìn)一步開發(fā)具有新機(jī)制或新結(jié)構(gòu)的全固態(tài)突觸晶體管器件。 L`sg60z
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最近，在前期工作基礎(chǔ)上，孫陽研究組副研究員尚大山和博士生楊傳森、劉楠等采用固態(tài)Li離子電解質(zhì)替代了離子液體作為柵隔離層，制備了一種全固態(tài)突觸晶體管。在柵極電壓作用下，通過Li離子在層狀α-MoO3中的注入與抽出，實(shí)現(xiàn)了α-MoO3溝道電阻在低電導(dǎo)（~75 nS）條件下的多態(tài)可逆變化，并且成功模擬了神經(jīng)突觸權(quán)重變化等行為。由于引入了Li離子作為摻雜劑，該器件可以在真空條件下實(shí)現(xiàn)溝道電導(dǎo)變化，從而擺脫了對外界環(huán)境的依賴，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模器件陣列的制備。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算模擬表明，采用Li離子突觸晶體管陣列構(gòu)建的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（784×300×10）并結(jié)合反向傳播算法，可以實(shí)現(xiàn)對手寫數(shù)字庫（MNIST，Modified National Institute of Standards and Technology）的訓(xùn)練與識別，識別精度達(dá)到87.3%。這一工作證明了將Li離子固態(tài)電解質(zhì)用于實(shí)現(xiàn)低功耗全固態(tài)突觸晶體管的可行性，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模突觸晶體管陣列制備，開發(fā)高能效神經(jīng)形態(tài)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)提供了新的途徑。 A0m j!P
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