河南大學程綱團隊Nano Energy: 通過集成摩擦電等離子體和氣體離子柵石墨烯晶體管的自驅動人工突觸機械觸覺傳感系統

引言

模擬生物神經開發人工突觸觸覺感知系統在物聯網和人工智能領域具有巨大的應用潛力。然而，實現低功耗、低成本、低復雜性和高效率的新型傳感策略仍然面臨挑戰。作為最常見的人工突觸器件，液體離子柵晶體管可以模擬各種生物突觸信號，其采用離子液體代替高k固體材料作為柵極介電層，具有調控溝道電導能力強的優點。然而，上述兩種柵介質結構晶體管均存在制備過程復雜，成本較高的問題。因此，研究簡單有效的溝道電導調控方法以開發新型人工突觸晶體管是十分必要的。

成果簡介

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授課題組在基于摩擦電等離子體和氣體離子柵石墨烯晶體管的新型人工突觸觸覺傳感方面取得新進展，相關成果以“The self-powered artificial synapse mechanotactile sensing system by integrating triboelectric plasma and gas-ionic-gated graphene transistor”為題，全文在國際著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一區)上發表。

在本文中，基于摩擦電微等離子體的表面離子柵（GIG）技術，設計制備了新型人工突觸器件，并以此開發了一種自驅動觸覺傳感系統。其中 GIG 晶體管用作人工突觸，TENG作為觸覺感受器驅動產生摩擦電等離子體并作為GIG晶體管的驅動信號。摩擦電等離子體中的 N₂⁺ 離子直接吸附在石墨烯表面，充當 GIG 晶體管的浮柵以調節其電學傳輸特性。 N₂⁺離子的吸附密度高達3.96×10¹² cm^-2，測得的脫附能量為196 meV。理論模擬表明，N₂⁺離子吸附在石墨烯表面的碳空位位置。通過調節放電脈沖的數量、頻率和極性，實現各種突觸行為，如短時程抑制、長時程抑制、長時程增強、雙脈沖易化等。此外，學習和時間解碼的神經功能已在實驗中得到證明。

該工作首先利用TENG的高壓特性實現人工突觸的自驅動傳感，既避免了傳統浮柵晶體管造成的柵介質擊穿，又簡化了器件結構。這項工作為未來發展簡單、低成本、低功耗的物聯網和人工智能提供了一種新的策略。

特種功能材料重點實驗室張嵩碩士、郭俊猛博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳和河南大學的經費支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106660

圖文導讀

圖1 實驗原理和器件結構示意圖。a 人類觸覺感知系統；b 基于TENG的觸覺傳感系統；c 高純N₂環境中的氣體放電；d 基于 GIG的人工突觸結構。

圖2 基于GIG技術的單層石墨烯器件的輸出特性。 a 不同負載下TENG的電學輸出特性；三種不同放電距離的正電暈放電電壓b和電流c曲線，放電距離分別為1、2和3 mm；d-f 不同放電距離下正電暈放電的電流-時間曲線(i)和人工突觸在不同放電距離下的PSC-時間曲線(ii)；g-I 不同放電距離下放電調控后石墨烯器件的轉移特性曲線。

圖3 N₂⁺離子在石墨烯表面的吸脫附特性。 a d=1 mm時放電調控后轉移特性曲線隨時間的變化；b V_Dirac 隨時間的恢復過程；c 在不同溫度下調控器件的電流-時間曲線；d lnK_d和1/T 之間的線性關系；e-h N₂⁺離子吸附在石墨烯碳空位之前和之后的碳晶格結構和態密度；i 在有缺陷石墨烯的不同位點吸附 N₂⁺離子的不同行為。

圖4 人工突觸在多次脈沖刺激下的特性。a PSC隨脈沖數增加的變化曲線；b ΔWn隨脈沖數增加的變化；c PSC在成對脈沖調控下隨時間變化曲線；d PPF指數隨時間間隔變化曲線。

圖5 人工突觸對機械信號的感知和轉換。 a 系統接收不同機械信號示意圖；b d=3 mm時負電暈放電的電流-時間曲線(i)和人工突觸的PSC-時間曲線(ii)；c-d 在交替的正電暈和負電暈放電下，PSC隨時間的變化曲線；e 權重變化率ΔW₂和脈沖間隔Δt 之間的關系。

通訊作者簡介

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省中原千人科技創新領軍人才，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起至今，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與自驅動光電器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文50余篇。主持國家自然科學基金4項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn

杜祖亮教授，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室主任，中原學者。教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊牽頭人，中國有序分子膜專業委員會副主任，教育部新世紀優秀人才，享受政府特殊津貼專家，河南省優秀專家，河南省特聘教授，河南省跨世紀學術和技術帶頭人。主持完成國家重大基礎研究973前期專項、國家自然科學基金重大納米研究計劃、國家自然科學基金面上項目、教育部高校科技創新工程重大項目等國家級科研項目10余項；河南省創新人才項目、河南省杰出青年基金項目等省部級項目10余項。獲河南省科學技術進步二等獎（自然科學類）2項；發表SCI學術論文200余篇；書（章節）2部；鑒定成果7項，發明專利24件（已授權14件）。主要從事高效能光電納米結構材料與器件研究，在納米結構材料的制備、組裝、器件構筑及其光電性能等方面，形成了較系統的研究工作。結合分子組裝（化學法）和納米壓印技術（物理法），建立了獨具特色的納米結構材料構筑技術，實現了納米結構的大面積低成本制備；搭建了三類特色研究平臺，實現了微納區的光電測量。在國際上率先建立了雙模板仿生礦化材料合成新方法；建立了低維半導體納米結構受控表面態的表面勢壘物理模型，研制了基于表面肖特基勢壘的光電納米器件；發現并闡明了微米/納米有序結構的光電增強現象，為發展高效能薄膜太陽能電池和量子點發光二極管(QLED)開辟了新途徑。

Email: zld@henu.edu.cn

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