南開徐文濤教授&李躍龍副教授Adv. Funct. Mater.：基于單晶鈣鈦礦的橫向結構人工突觸

引言：

近年來，神經形態計算技術得到快速發展，它有望打破傳統馮諾依曼瓶頸，構建類腦計算機或人工智能仿生系統，而利用電子器件模擬生物突觸則是實現這一目標的首要條件。目前科學家們已將多種電子器件用于構建人工突觸以及神經仿生系統，其中鈣鈦礦材料因其優異的光電特性和機械性能，在構建人工突觸并模擬突觸可塑性和神經形態計算上均取得重要進展。然而，目前提出的鈣鈦礦人工突觸電子器件大多是基于多晶鈣鈦礦材料。多晶鈣鈦礦材料內部有較多的缺陷和晶界，增大了載流子的散射和復合損失，不利于器件性能的提升和優化。相比較于多晶鈣鈦礦材料，單晶鈣鈦礦內部缺陷低，無晶界，具有更高的穩定性。因此，制備基于單晶鈣鈦礦材料的人工突觸并探究其對突觸可塑性的模擬對于構建神經形態計算系統具有重要意義。

內容：

近日，南開大學電子信息與光學工程學院徐文濤教授和李躍龍副教授共同合作，在Adv. Funct. Mater.上發表了一篇題為Lateral artificial synapses on hybrid perovskite platelets with modulated neuroplasticity (DOI:adfm.2020005413) 的研究論文。文章報道了一種基于高質量單晶鈣鈦礦薄片的人工突觸電子器件。該器件具有皮安級別的操作電流和超低的能耗（14.3 fJ/spike），能夠實現包括雙脈沖易化，尖峰脈沖依賴可塑性，活動依賴可塑性等突觸行為。該工作首次將單晶鈣鈦礦材料應用到人工突觸上并提出了一種新型器件結構，為鈣鈦礦材料在人工突觸電子器件上的應用提供了新的路徑和方法。

圖文簡介：

圖一：單晶鈣鈦礦薄片的制備和性能表征

(a)基于單晶鈣鈦礦薄片的人工突觸電子器件制備流程；

(b)單晶鈣鈦礦薄片的熒光圖像；

(c)單晶鈣鈦礦薄片的AFM照片；

(d)單晶鈣鈦礦薄片的XRD圖譜；

(e)單晶鈣鈦礦薄片的穩態吸收譜和光致發光譜，其中插入圖為單晶鈣鈦礦薄片對不同能量的光子吸收強度變化，激發峰為380 nm.

圖2：基于單晶鈣鈦礦和多晶鈣鈦礦材料的人工突觸可塑性的模擬

(a)基于單晶鈣鈦礦薄片和多晶鈣鈦礦薄膜的人工突觸器件對雙脈沖易化的模擬對比。

(b)基于單晶鈣鈦礦薄片的人工突觸器件對不同電壓下的尖峰脈沖持續依賴可塑性的模擬；

(c)基于單晶鈣鈦礦薄片和多晶鈣鈦礦薄膜的人工突觸器件的能耗水平對比；

(d)基于單晶鈣鈦礦薄片和多晶鈣鈦礦薄膜的人工突觸器件對尖峰電壓持續可塑性的模擬對比。

圖3：基于單晶鈣鈦礦薄片的人工突觸器件對活動依賴可塑性的模擬

(a)大腦感知外界刺激示意圖；

(b)基于突觸可塑性再塑的痛覺實驗模擬：通過抑制作用，可提高突觸可塑性的增強；

(c)基于突觸可塑性再塑的痛覺實驗模擬：通過增強作用，可提高突觸可塑性的抑制。

小結：

本文首次將單晶鈣鈦礦應用到人工突觸電子器件上，并提出了一種兩端橫向突觸結構；相比較于多晶鈣鈦礦人工突觸器件，本文提出的單晶鈣鈦礦人工突觸電子器件展示出優良的光電傳輸特性，在能耗和靈敏度上均有所突破。其中南開大學徐文濤教授和南開大學李躍龍副教授為論文的共同通訊作者，南開大學博士生龔江東、于海洋和碩士生周芯為論文的共同第一作者。本項工作受到天津杰出青年科學基金、廣東省重點研發項目,南開大學百青年學術帶頭人計劃,天津市自然科學基金,中國國家自然科學基金,基礎研究基金中國中央大學,國家重點研發項目，天津市國際聯合研發中心，天津市研究生科研創新項目等共同支持。

徐文濤 教授?

南開大學光電子薄膜器件與技術研究所教授，博士生導師。曾入選國家海外高層次人才青年項目，天津市海河英才計劃“領軍人才”，南開大學“百名青年學科帶頭人”，并獲得“天津市杰出青年科學基金”資助。本科畢業于北京師范大學（2005），博士畢業于韓國浦項工科大學（2012）。曾任韓國浦項工科大學和首爾國立大學研究副教授。曾在伊利諾大學香檳分校John A Rogers教授（美國科學院/工程院院士/IEEE fellow）研究組和斯坦福大學Zhenan Bao教授（美國工程院院士）研究組訪問學習和合作研究。研究領域涉及多學科交叉，包括各種材料、化學在神經仿生電子器件、信息存儲器件、場效應晶體管、柔性可穿戴電子等方面的應用。發表高水平SCI論文44篇。其中第一作者和通訊作者36篇，包括Science，Science Advances，Advanced Materials，Nano Energy，Materials Horizons等。多項工作被選為Advanced Materials雜志封面。申請國內和國外專利16項（其中2項已獲授權），多項成果被媒體廣泛報道。

李躍龍 副教授

南開大學電子信息與光學工程學院副教授，博士生導師。曾入選天津市海外高層次人才青年項目，歐盟瑪麗居里學者，擔任國家重點研發計劃課題負責人，國家自然科學基金函評專家。2012年3月獲得韓國科學技術研究院博士學位（KIST/UST），師從Nam-Gyu Park教授（鈣鈦礦太陽電池三位權威發明人之一）和Min-Jae Ko教授（柔性太陽電池權威專家），之后在美國加州大學-圣迭戈分校(UCSD)和西班牙國家研究院(CSIC)從事博士后研究，并先后在英國牛津大學Henry?Snaith實驗室（2015）和劍橋大學卡文迪許實驗室（2018）作訪問研究。2016年10月，以人才引進方式加入南開大學電光學院。目前主持國家重點研發計劃項目課題，歐盟“地平線2020”項目，國家自然科學基金面上項目等國家或省部級科研項目6項。主要從事納米光電材料與器件領域研究，目前專注于鈣鈦礦太陽電池，鈣鈦礦單晶材料制備及光生電荷傳輸機理研究，鈣鈦礦/晶硅兩端疊層電池，柔性能源電子等方向研究。先后獲得塑料襯底柔性染料敏化太陽電池最高效率8.55%；獲得全輥涂制備的鈣鈦礦太陽電池最高效率12.34%；發明首顆鈣鈦礦量子點結，并發現其室溫下電學量子干涉現象；在Energy & Environmental Science，Nature Communications，Nano Energy，Advanced Functional Materials等高水平期刊發表學術論文50多篇；已授權美國、韓國、PCT專利、中國等發明專利5項。擔任30多種學術雜志獨立審稿人和仲裁人。

本文由作者團隊供稿。