AFM：高稳定柔性Mott晶体管在痛感模拟/神经形态计算中的应用

开发具有生物神经系统功能的柔性神经形态电子学是构建下一代可穿戴人工智能设备的关键步骤。目前，基于传统柔性聚合物衬底上的有机、二维以及无定形氧化物材料的单个柔性人工突触器件已得到广泛研究。然而，大规模集成的柔性神经形态电子阵列却鲜有报道，这主要受限于柔性人工突触器件的性能可靠性、结构可扩展性以及弯曲稳定性等问题。挖掘兼顾优异性能与弯曲稳定性的且可集成化的柔性人工突触器件仍是一个亟待解决的研究课题。过渡金属氧化物因其奇特的电子轨道结构，其电子态在外界因素的调控作用下易发生连续且稳定的变化，是用于模拟生物突触功能的理想选择。因此，在柔性衬底上实现高质量外延氧化物薄膜的生长并以此设计出高性能的柔性人工突触器件，有望进一步促进大规模集成柔性人工神经网络形态的建立。

近日，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室在柔性人工突触器件取得重要进展。相关研究成果以 “A Flexible Mott Synaptic Transistor for Nociceptor Simulation and Neuromorphic Computing”为题在国际权威期刊Advanced Functional Materials在线发表。

利用范德瓦尔斯外延在柔性云母片衬底上制备出高质量VO2薄膜，并以此为沟道层制备出全固态的柔性透明Mott晶体管。通过巧妙的设计VO2的易失静电调控与非易失电化学调控，模拟了生物突触的多种短时和长时可塑性，比如PPF、SRDP、LTD/P及STDP等。基于该柔性Mott晶体管中独特的静电及电化学双调控机制，成功实现了生物疼痛感受器的疼痛阈值、弛豫以及敏化等关键特征的模拟。

更加重要的是，该柔性突触晶体管还展现出优异的弯曲稳定性，在平整与弯曲状态下长时间连续的LTP与LTD周期性变化率可保持极低的范围（<4%），大大优于已有的报道。基于该Mott晶体管构建的人工神经网络仿真结果表明，手写数字的识别精度可高达95%。这项工作表明了电解质门控Mott晶体管在高性能人工突触器件中的应用潜力，同时也为高稳定性及高度可集成化的柔性神经形态电子系统的建立提供了新的思路与途径。

图文导读

图1（a）生物突触结构示意图；（b）基于离子凝胶的Mott晶体管示意图；（c）透明柔性Mott晶体管实物图；（d）不同振幅的栅极电压（VGS）下，VO2沟道薄膜电导（IDS）的变化及其弛豫现象；（e）VO2/Mica异质结在不同VGS作用下的XRD变化；（f）经VGS=3V作用后，VO2薄膜中的H离子浓度与初始状态薄膜的对比。

图2（a-c）Mott晶体管中静电调控效应与生物突触短时可塑性功能的对应：（a）正向栅压下双电层电场形成示意图；（b）双电层电场的弛豫示意图；（c）短时可塑性功能的模拟。（d-f）Mott晶体管中电化学调控效应与生物突触 长时可塑性功能的对应：（d）正向栅压下双电层电场形成以及H离子的掺入示意图；（e）双电层电场的弛豫及非易失的H离子掺入示意图；（f）长时可塑性功能的模拟。

图3（a）双脉冲刺激下突触晶体管的EPSC易化现象（PPF）；（b）PPF指数与脉冲间隔的关系图；（c）不同频率的10个重复VG脉冲刺激下突触晶体管EPSC易化现象（SRDP）；（d）人体疼痛感知过程的示意图；（e）基于SRDP对疼痛感知的模拟。

图4（a）不同脉冲振幅下的EPSC对疼痛阈值的模拟；（b）不同振幅连续脉冲刺激所诱导的EPSC及其弛豫现象；（c）EPSCs弛豫至阈值电流(107 nA)所需时间与脉冲序列振幅的函数关系；（d）生物疼痛感受器敏化特征示意图；（e）不同振幅脉冲(0.6V至1.8 V)下的EPSC在原始状态和疼痛预警状态下的对比；（f）基于Mott晶体管对疼痛感受器敏化特征的模拟。

图5（a）正负连续脉冲刺激下，Mott晶体管对突触权重的双向调控（LTP/D）的模拟；（b-c）基于Mott晶体管对突触STDP功能的模拟：（b）不对称STDP，（c）对称STDP；（d）连续重复正负脉冲刺激下突触权重的连续增强与抑制；（e）平整与不同弯曲状态下，突触权重连续增强与抑制的循环测试结果；（f）用于识别MINST的卷积神经网络示意图；（g）基于柔性Mott晶体管的神经网络对手写数字的识别精度。

该工作以华东师大为第一单位，极化材料与器件教育部重点实验室邓兴博士后为论文第一作者，向平华研究员、钟妮研究员为论文的共同通讯作者，合作者包括极化材料与器件教育部重点实验室段纯刚教授、彭晖研究员和华中科技大学何毓辉教授。这一工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科技创新行动计划的支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101099