中南大学AFM: 飞秒激光制备类脑图案适应双栅晶体管阵列

钢铁侠 9个月前 (03-02) 1639浏览

前言

适应是生物神经系统维持生存十分重要的功能。人体五感接收的环境输入信号通过神经元网络传输到神经系统，之后经过调节会得到适应环境变化的输出。模拟该行为的自适应神经形态器件可以根据外部刺激自主调整电学行为，被认为是推动未来人工感官系统和下一代仿生机器人发展的有效方案。然而当前的研究主要集中于单器件层面的适应性模拟，并且制造工艺比较复杂。如何通过简单、环保、经济的工艺快速制造适应性器件阵列还是一个难题。

研究成果

近日，中南大学物理学院蒋杰教授和银恺教授（共同通讯作者）在Advanced Functional Materials杂志上发表了题为“Maskless Femtosecond-laser-processed Ionotronic Double-gate Transistor Array for Pattern Adaptation Emulation”的研究成果。作者采用快速、无掩模和无污染的飞秒激光图案化技术，实现了一种具有自适应能力的离子/电子耦合双栅氧化物晶体管阵列。测试结果表明：在单栅模式下，制备的器件可以模拟典型的突触行为。而在双栅模式下，可以实现不适应到适应行为的转变性调控。更重要的是，作者利用一个简单的器件阵列初步模拟了基于大脑先验知识依赖的图案适应功能。因此，该项工作对大面积绿色电子和未来的环境交互式仿生智能机器人的研究具有重要意义。该论文的第一作者为中南大学物理学院电信硕士21级张艺和22级裴嘉庆（共同一作）。

图文简介

图1：人体的感知适应、飞秒激光制备器件阵列的工艺步骤以及阵列的相关表征

(a)人脑神经系统调节输入信号得到适应性输出;

(b)飞秒激光制造2×2无结双栅ITO晶体管(JDIT)阵列的工艺步骤;

(c)2×2JDIT阵列的光学照片；

(d)单个JDIT的SEM图像；

(e,f)三维激光显微成像系统测试的器件源电极和沟道的表面形貌图像；

(g,h)飞秒激光形成的凹槽边缘和内部的SEM图像和EDS图。

图2：晶体管结构、材料表征和阵列电学性能均匀性

(a)器件电极处的三维图像和高度分布;

(b)器件沟道处的凹槽深度;

(c)ITO薄膜表面的AFM图像；

(d)栅介质海藻酸钠(SA)的电容频率表征；

(e)单栅模式下SA门控JDIT的工作机制；

(f,g)同一硅片上4个不同器件的输出曲线和转移曲线。

图3：器件典型的突触行为

(a)具有调控的生物突触示意图;

(b)突触前尖峰诱发的EPSC响应;

(c)间隔时间为80 ms的两个连续的突触前尖峰触发的PPF行为;

(d)PPF指数曲线及其拟合；

(e)不同个数的尖峰序列触发的EPSC响应；

(f)EPSC增益与不同尖峰个数的函数关系；

(g)BG2=-1V时，G1上不同振幅的电尖峰(2~3V)的EPSC输出;

(h)BG2和AG1对EPSC值影响的等高线图;

(i)BG2和峰值宽度对尖峰序列的最大峰值电流的调控。

图4：器件的电适应行为

(a)神经系统对五感接收的刺激的适应性输出及数学描述；

(b)G1上的电尖峰在BG2的调控下实现EPSC不适应到适应的转变；

(c)BG2与EPSC适应指数之间的函数关系；

(d)BG2=-1V时，不同AG1的EPSC输出；

(e)AG1与EPSC的适应灵敏度的函数关系；

(f)连续测试不同持续时间的电尖峰触发的EPSC响应，插图是0.05s和0.03s的脉冲的EPSC；

(g)在2.3~3V尖峰幅值下适应灵敏度与持续时间的关系；

(h)连续测试个数为10、6、和2的尖峰序列触发的EPSC适应行为；

(i)在AG1下，尖峰个数与适应准确度之间的函数关系;

(j)在不同尖峰个数下，AG1与适应灵敏度之间的函数关系;

(k)不同的前尖峰幅值(AS1)对固定幅值的后尖峰(S2)的适应行为的影响;

(l)AS1相关的S2的适应灵敏度在不同间隔时间下的变化;

(m)受间隔时间调控的，前尖峰对后尖峰适应行为的影响;

(n)在不同间隔时间下，后尖峰的适应精度随不同AG1的变化;

(o)后尖峰的峰值电流受间隔时间和AG1影响的等高线图。

图5：基于2×2适应性器件阵列对大脑先验知识依赖的图案适应功能模拟

(a)大脑处理相同图案时的适应节能机制；

(b)后尖峰的适应行为受与相同前尖峰之间间隔时间的影响；

(c)后尖峰的不适应程度（NAD）与间隔时间的关系；

(d)DS作为AG1的函数;

(e)DI作为AG1的函数;

(f)带负反馈回路的最小自适应网络;

(g)阵列再次受到相同的“L”图案刺激时，NAD随间隔时间和AG1的变化。

小结

本研究中作者利用飞秒激光简单、高效和无污染的加工特点，制备了具有适应特性的离子/电子耦合双栅晶体管阵列。该图案化技术避免了光刻技术需使用掩膜版的复杂步骤和材料暴露在化学物质中因为污染或无意掺杂等因素引入各种缺陷等问题。所得到的突触晶体管可以在调控下实现不适应到适应行为的转变。此外，还能对刺激适应之后实现脱敏，模拟生物神经系统的自我保护能力。该器件阵列在下一代大面积智能器件，如人工感官适应系统和类脑节能仿生机器人等方面具有较高的潜力。

致谢

特别感谢湖南师范大学物理与电子科学学院蒋乐勇团队在材料表征和机制探讨方面的支持。

文献链接

Maskless Femtosecond-laser-processed Ionotronic Double-gate Transistor Array for Pattern Adaptation Emulation, Adv. Funct. Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/adfm.202400822

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