中南大學AFM: 飛秒激光制備類腦圖案適應雙柵晶體管陣列

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前言

適應是生物神經系統維持生存十分重要的功能。人體五感接收的環境輸入信號通過神經元網絡傳輸到神經系統，之后經過調節會得到適應環境變化的輸出。模擬該行為的自適應神經形態器件可以根據外部刺激自主調整電學行為，被認為是推動未來人工感官系統和下一代仿生機器人發展的有效方案。然而當前的研究主要集中于單器件層面的適應性模擬，并且制造工藝比較復雜。如何通過簡單、環保、經濟的工藝快速制造適應性器件陣列還是一個難題。

研究成果

近日，中南大學物理學院蔣杰教授和銀愷教授（共同通訊作者）在Advanced Functional Materials雜志上發表了題為“Maskless Femtosecond-laser-processed Ionotronic Double-gate Transistor Array for Pattern Adaptation Emulation”的研究成果。作者采用快速、無掩模和無污染的飛秒激光圖案化技術，實現了一種具有自適應能力的離子/電子耦合雙柵氧化物晶體管陣列。測試結果表明：在單柵模式下，制備的器件可以模擬典型的突觸行為。而在雙柵模式下，可以實現不適應到適應行為的轉變性調控。更重要的是，作者利用一個簡單的器件陣列初步模擬了基于大腦先驗知識依賴的圖案適應功能。因此，該項工作對大面積綠色電子和未來的環境交互式仿生智能機器人的研究具有重要意義。該論文的第一作者為中南大學物理學院電信碩士21級張藝和22級裴嘉慶（共同一作）。

圖文簡介

圖1：人體的感知適應、飛秒激光制備器件陣列的工藝步驟以及陣列的相關表征

(a)人腦神經系統調節輸入信號得到適應性輸出;

(b)飛秒激光制造2×2無結雙柵ITO晶體管(JDIT)陣列的工藝步驟;

(c)2×2JDIT陣列的光學照片；

(d)單個JDIT的SEM圖像；

(e,f)三維激光顯微成像系統測試的器件源電極和溝道的表面形貌圖像；

(g,h)飛秒激光形成的凹槽邊緣和內部的SEM圖像和EDS圖。

圖2：晶體管結構、材料表征和陣列電學性能均勻性

(a)器件電極處的三維圖像和高度分布;

(b)器件溝道處的凹槽深度;

(c)ITO薄膜表面的AFM圖像；

(d)柵介質海藻酸鈉(SA)的電容頻率表征；

(e)單柵模式下SA門控JDIT的工作機制；

(f,g)同一硅片上4個不同器件的輸出曲線和轉移曲線。

圖3：器件典型的突觸行為

(a)具有調控的生物突觸示意圖;

(b)突觸前尖峰誘發的EPSC響應;

(c)間隔時間為80 ms的兩個連續的突觸前尖峰觸發的PPF行為;

(d)PPF指數曲線及其擬合；

(e)不同個數的尖峰序列觸發的EPSC響應；

(f)EPSC增益與不同尖峰個數的函數關系；

(g)BG2=-1V時，G1上不同振幅的電尖峰(2~3V)的EPSC輸出;

(h)BG2和AG1對EPSC值影響的等高線圖;

(i)BG2和峰值寬度對尖峰序列的最大峰值電流的調控。

圖4：器件的電適應行為

(a)神經系統對五感接收的刺激的適應性輸出及數學描述；

(b)G1上的電尖峰在BG2的調控下實現EPSC不適應到適應的轉變；

(c)BG2與EPSC適應指數之間的函數關系；

(d)BG2=-1V時，不同AG1的EPSC輸出；

(e)AG1與EPSC的適應靈敏度的函數關系；

(f)連續測試不同持續時間的電尖峰觸發的EPSC響應，插圖是0.05s和0.03s的脈沖的EPSC；

(g)在2.3~3V尖峰幅值下適應靈敏度與持續時間的關系；

(h)連續測試個數為10、6、和2的尖峰序列觸發的EPSC適應行為；

(i)在AG1下，尖峰個數與適應準確度之間的函數關系;

(j)在不同尖峰個數下，AG1與適應靈敏度之間的函數關系;

(k)不同的前尖峰幅值(AS1)對固定幅值的后尖峰(S2)的適應行為的影響;

(l)AS1相關的S2的適應靈敏度在不同間隔時間下的變化;

(m)受間隔時間調控的，前尖峰對后尖峰適應行為的影響;

(n)在不同間隔時間下，后尖峰的適應精度隨不同AG1的變化;

(o)后尖峰的峰值電流受間隔時間和AG1影響的等高線圖。

圖5：基于2×2適應性器件陣列對大腦先驗知識依賴的圖案適應功能模擬

(a)大腦處理相同圖案時的適應節能機制；

(b)后尖峰的適應行為受與相同前尖峰之間間隔時間的影響；

(c)后尖峰的不適應程度（NAD）與間隔時間的關系；

(d)DS作為AG1的函數;

(e)DI作為AG1的函數;

(f)帶負反饋回路的最小自適應網絡;

(g)陣列再次受到相同的“L”圖案刺激時，NAD隨間隔時間和AG1的變化。

小結

本研究中作者利用飛秒激光簡單、高效和無污染的加工特點，制備了具有適應特性的離子/電子耦合雙柵晶體管陣列。該圖案化技術避免了光刻技術需使用掩膜版的復雜步驟和材料暴露在化學物質中因為污染或無意摻雜等因素引入各種缺陷等問題。所得到的突觸晶體管可以在調控下實現不適應到適應行為的轉變。此外，還能對刺激適應之后實現脫敏，模擬生物神經系統的自我保護能力。該器件陣列在下一代大面積智能器件，如人工感官適應系統和類腦節能仿生機器人等方面具有較高的潛力。

致謝

特別感謝湖南師范大學物理與電子科學學院蔣樂勇團隊在材料表征和機制探討方面的支持。

文獻鏈接

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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