河南大学程纲团队Nano Energy: 通过集成摩擦电等离子体和气体离子栅石墨烯晶体管的自驱动人工突触机械触觉传感系统

引言

模拟生物神经开发人工突触触觉感知系统在物联网和人工智能领域具有巨大的应用潜力。然而，实现低功耗、低成本、低复杂性和高效率的新型传感策略仍然面临挑战。作为最常见的人工突触器件，液体离子栅晶体管可以模拟各种生物突触信号，其采用离子液体代替高k固体材料作为栅极介电层，具有调控沟道电导能力强的优点。然而，上述两种栅介质结构晶体管均存在制备过程复杂，成本较高的问题。因此，研究简单有效的沟道电导调控方法以开发新型人工突触晶体管是十分必要的。

成果简介

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授课题组在基于摩擦电等离子体和气体离子栅石墨烯晶体管的新型人工突触触觉传感方面取得新进展，相关成果以“The self-powered artificial synapse mechanotactile sensing system by integrating triboelectric plasma and gas-ionic-gated graphene transistor”为题，全文在国际著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一区)上发表。

在本文中，基于摩擦电微等离子体的表面离子栅（GIG）技术，设计制备了新型人工突触器件，并以此开发了一种自驱动触觉传感系统。其中 GIG 晶体管用作人工突触，TENG作为触觉感受器驱动产生摩擦电等离子体并作为GIG晶体管的驱动信号。摩擦电等离子体中的 N₂⁺ 离子直接吸附在石墨烯表面，充当 GIG 晶体管的浮栅以调节其电学传输特性。 N₂⁺离子的吸附密度高达3.96×10¹² cm^-2，测得的脱附能量为196 meV。理论模拟表明，N₂⁺离子吸附在石墨烯表面的碳空位位置。通过调节放电脉冲的数量、频率和极性，实现各种突触行为，如短时程抑制、长时程抑制、长时程增强、双脉冲易化等。此外，学习和时间解码的神经功能已在实验中得到证明。

该工作首先利用TENG的高压特性实现人工突触的自驱动传感，既避免了传统浮栅晶体管造成的栅介质击穿，又简化了器件结构。这项工作为未来发展简单、低成本、低功耗的物联网和人工智能提供了一种新的策略。

特种功能材料重点实验室张嵩硕士、郭俊猛博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的经费支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106660

图文导读

图1 实验原理和器件结构示意图。a 人类触觉感知系统；b 基于TENG的触觉传感系统；c 高纯N₂环境中的气体放电；d 基于 GIG的人工突触结构。

图2 基于GIG技术的单层石墨烯器件的输出特性。 a 不同负载下TENG的电学输出特性；三种不同放电距离的正电晕放电电压b和电流c曲线，放电距离分别为1、2和3 mm；d-f 不同放电距离下正电晕放电的电流-时间曲线(i)和人工突触在不同放电距离下的PSC-时间曲线(ii)；g-I 不同放电距离下放电调控后石墨烯器件的转移特性曲线。

图3 N₂⁺离子在石墨烯表面的吸脱附特性。 a d=1 mm时放电调控后转移特性曲线随时间的变化；b V_Dirac 随时间的恢复过程；c 在不同温度下调控器件的电流-时间曲线；d lnK_d和1/T 之间的线性关系；e-h N₂⁺离子吸附在石墨烯碳空位之前和之后的碳晶格结构和态密度；i 在有缺陷石墨烯的不同位点吸附 N₂⁺离子的不同行为。

图4 人工突触在多次脉冲刺激下的特性。a PSC随脉冲数增加的变化曲线；b ΔWn随脉冲数增加的变化；c PSC在成对脉冲调控下随时间变化曲线；d PPF指数随时间间隔变化曲线。

图5 人工突触对机械信号的感知和转换。 a 系统接收不同机械信号示意图；b d=3 mm时负电晕放电的电流-时间曲线(i)和人工突触的PSC-时间曲线(ii)；c-d 在交替的正电晕和负电晕放电下，PSC随时间的变化曲线；e 权重变化率ΔW₂和脉冲间隔Δt 之间的关系。

通讯作者简介

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省中原千人科技创新领军人才，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起至今，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与自驱动光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文50余篇。主持国家自然科学基金4项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn

杜祖亮教授，河南大学特种功能材料教育部重点实验室主任，中原学者。教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队牵头人，中国有序分子膜专业委员会副主任，教育部新世纪优秀人才，享受政府特殊津贴专家，河南省优秀专家，河南省特聘教授，河南省跨世纪学术和技术带头人。主持完成国家重大基础研究973前期专项、国家自然科学基金重大纳米研究计划、国家自然科学基金面上项目、教育部高校科技创新工程重大项目等国家级科研项目10余项；河南省创新人才项目、河南省杰出青年基金项目等省部级项目10余项。获河南省科学技术进步二等奖（自然科学类）2项；发表SCI学术论文200余篇；书（章节）2部；鉴定成果7项，发明专利24件（已授权14件）。主要从事高效能光电纳米结构材料与器件研究，在纳米结构材料的制备、组装、器件构筑及其光电性能等方面，形成了较系统的研究工作。结合分子组装（化学法）和纳米压印技术（物理法），建立了独具特色的纳米结构材料构筑技术，实现了纳米结构的大面积低成本制备；搭建了三类特色研究平台，实现了微纳区的光电测量。在国际上率先建立了双模板仿生矿化材料合成新方法；建立了低维半导体纳米结构受控表面态的表面势垒物理模型，研制了基于表面肖特基势垒的光电纳米器件；发现并阐明了微米/纳米有序结构的光电增强现象，为发展高效能薄膜太阳能电池和量子点发光二极管(QLED)开辟了新途径。

Email: zld@henu.edu.cn

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