深大周曄＆韓素婷AFM：基于富勒烯浮柵層的雙極型柔性突觸晶體管

【引言】

與經典的馮諾依曼體系結構相比，具有低功耗，高存儲效率和良好容錯性的神經形態計算引起了人們的極大關注。在神經系統中，10¹⁵個大腦皮層神經元之間龐大的連接網絡對其高效的數據處理能力至關重要。突觸是神經系統中信號傳遞和調節的基本單位，其中神經信號從突觸前膜沿著突觸間隙傳遞到突觸后膜。受到這種有潛力的生物學功能的啟發，具有橫向和縱向導電通道的浮柵存儲晶體管被提出來模擬生物突觸的信號傳遞以及學習過程。然而絕大多數晶體管都是單極型電荷捕獲，同時具有較大的操作電壓以及很高的能耗。因此，開發簡單溶液法制備的低操作電壓的雙極型突觸晶體管不僅能大大減少集成能耗，還能提高突觸權重可調節范圍。

【成果簡介】

深圳大學周曄研究員和韓素婷副教授等在柔性場效應晶體管中第一次采用簡單的溶液法制備的C₆₀和PMMA的混合體系作為浮柵層和隧穿層，系統性研究柔性晶體管在不同形貌下的電學性質，包括窗口，開關比，保持時間以及耐力屬性等等，同時成功模擬了生物突觸的多種學習與記憶功能，對今后有機突觸晶體管的開發有一定的指導和借鑒意義。

相應工作以“Gate-Tunable Synaptic Plasticity through Controlled Polarity of Charge Trapping in Fullerene Composites”為題，發表在Advanced Functional Materials (2018, 1805599)上，共同第一作者為深圳大學高等研究院研究生任意及電子科學與技術學院本科生楊嘉欽。

【圖文導讀】

圖1?柔性晶體管的表征以及電學性能

?a.三維柔性晶體管器件示意圖。

b. 器件的橫截面SEM圖像側視圖。

c. 均勻并五苯薄膜的AFM形貌圖。

d. PET基底上不同比例C₆₀和PMMA混合層的吸收光譜。

e. 只包含PMMA的晶體管的轉移特性曲線；插圖是制備的柔性器件圖。

f.器件的輸出特性曲線。

g-i. 不同C₆₀濃度(0.08 wt%, 0.15 wt%和0.23 wt%)下的晶體管的轉移特性曲線；插圖是不同濃度下相應的SEM形貌圖。

圖2?柔性晶體管在多種參數下的閾值電壓偏移以及電荷捕獲機理

a-b. 在不同操作電壓下(5 V和8?V)閾值電壓偏移與擦寫時間的關系。

c. 不同擦寫電壓對存儲窗口的影響。

d-f. 在穩定態，空穴捕獲狀態以及電子捕獲狀態下的突觸晶體管的能級圖。

g. KPFM測試示意圖。

h. KPFM測試圖中的電子與空穴捕獲過程。

i. 電子捕獲態與空穴捕獲態的電勢差。

圖3?在不同持續時間，脈沖幅值和溫度下的后突觸電流

?a. 生物突觸與三端突觸晶體管的類比。

b-c. 在不同脈沖持續時間(0.05 s, 0.08 s, 0.1 s, 0.2 s與0.5 s)刺激下的正負向后突觸電流。

d-e. 在不同脈沖幅值(4?V, 5 V, 6 V, 7 V與8?V)刺激下的正負向后突觸電流。

f. 在不同溫度(30 ℃, 45 ℃, 60 ℃, 75 ℃與90 ℃)下正向后突觸電流的衰減。

g. –In(1/τ)與1000/T的依賴關系。

h. 在不同溫度下(30 ℃, 45 ℃, 60 ℃, 75 ℃與90 ℃)負向后突觸電流的變化。

i. 后突觸電流變化值。

圖4 生物突觸行為的模擬

?a. 成對脈沖促進。

b. PPF index與脈沖間隔之間的關系。

c. 成對脈沖抑制。

d. PPD index與脈沖間隔之間的關系。

e-f. 在連續脈沖序列下溝道電導的反復調制。

g. 短期可塑性到長期可塑性的轉變；插圖是遲豫時間與脈沖數的依賴關系。

h. 長期抑制。

i. 反復的學習，遺忘，再學習過程。

?【小結】

溶液法制備的C₆₀?/ PMMA復合材料可實現基于晶體管的存儲器的低電壓操作，同時具有雙極型電荷捕獲表現和2.95 V的存儲窗口。此外，柵極偏壓下電子和空穴的動態捕獲/去俘獲過程非常類似于神經遞質的傳輸和流動。?因此，基于C₆₀的晶體管也證明了包括EPSC，PPF，PPD，STP，LTP等等的生物突觸行為。實驗結果為使用溶液處理方法實現有機分子晶體管的電導調制提供了途徑，并且促進了基于富勒烯的人工突觸晶體管的進展。

?文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201805599

本文由深圳大學周曄和韓素婷研究團隊供稿，材料人編輯部編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.