深大周晔＆韩素婷AFM：基于富勒烯浮栅层的双极型柔性突触晶体管

【引言】

与经典的冯诺依曼体系结构相比，具有低功耗，高存储效率和良好容错性的神经形态计算引起了人们的极大关注。在神经系统中，10¹⁵个大脑皮层神经元之间庞大的连接网络对其高效的数据处理能力至关重要。突触是神经系统中信号传递和调节的基本单位，其中神经信号从突触前膜沿着突触间隙传递到突触后膜。受到这种有潜力的生物学功能的启发，具有横向和纵向导电通道的浮栅存储晶体管被提出来模拟生物突触的信号传递以及学习过程。然而绝大多数晶体管都是单极型电荷捕获，同时具有较大的操作电压以及很高的能耗。因此，开发简单溶液法制备的低操作电压的双极型突触晶体管不仅能大大减少集成能耗，还能提高突触权重可调节范围。

【成果简介】

深圳大学周晔研究员和韩素婷副教授等在柔性场效应晶体管中第一次采用简单的溶液法制备的C₆₀和PMMA的混合体系作为浮栅层和隧穿层，系统性研究柔性晶体管在不同形貌下的电学性质，包括窗口，开关比，保持时间以及耐力属性等等，同时成功模拟了生物突触的多种学习与记忆功能，对今后有机突触晶体管的开发有一定的指导和借鉴意义。

相应工作以“Gate-Tunable Synaptic Plasticity through Controlled Polarity of Charge Trapping in Fullerene Composites”为题，发表在Advanced Functional Materials(2018, 1805599)上，共同第一作者为深圳大学高等研究院研究生任意及电子科学与技术学院本科生杨嘉钦。

【图文导读】

图1柔性晶体管的表征以及电学性能

a.三维柔性晶体管器件示意图。

b. 器件的横截面SEM图像侧视图。

c. 均匀并五苯薄膜的AFM形貌图。

d. PET基底上不同比例C₆₀和PMMA混合层的吸收光谱。

e. 只包含PMMA的晶体管的转移特性曲线；插图是制备的柔性器件图。

f.器件的输出特性曲线。

g-i. 不同C₆₀浓度(0.08 wt%, 0.15 wt%和0.23 wt%)下的晶体管的转移特性曲线；插图是不同浓度下相应的SEM形貌图。

图2柔性晶体管在多种参数下的阈值电压偏移以及电荷捕获机理

a-b. 在不同操作电压下(5 V和8 V)阈值电压偏移与擦写时间的关系。

c. 不同擦写电压对存储窗口的影响。

d-f. 在稳定态，空穴捕获状态以及电子捕获状态下的突触晶体管的能级图。

g. KPFM测试示意图。

h. KPFM测试图中的电子与空穴捕获过程。

i. 电子捕获态与空穴捕获态的电势差。

图3在不同持续时间，脉冲幅值和温度下的后突触电流

a. 生物突触与三端突触晶体管的类比。

b-c. 在不同脉冲持续时间(0.05 s, 0.08 s, 0.1 s, 0.2 s与0.5 s)刺激下的正负向后突触电流。

d-e. 在不同脉冲幅值(4 V, 5 V, 6 V, 7 V与8 V)刺激下的正负向后突触电流。

f. 在不同温度(30 ℃, 45 ℃, 60 ℃, 75 ℃与90 ℃)下正向后突触电流的衰减。

g. –In(1/τ)与1000/T的依赖关系。

h. 在不同温度下(30 ℃, 45 ℃, 60 ℃, 75 ℃与90 ℃)负向后突触电流的变化。

i. 后突触电流变化值。

图4生物突触行为的模拟

a. 成对脉冲促进。

b. PPF index与脉冲间隔之间的关系。

c. 成对脉冲抑制。

d. PPD index与脉冲间隔之间的关系。

e-f. 在连续脉冲序列下沟道电导的反复调制。

g. 短期可塑性到长期可塑性的转变；插图是迟豫时间与脉冲数的依赖关系。

h. 长期抑制。

i. 反复的学习，遗忘，再学习过程。

【小结】

溶液法制备的C₆₀/ PMMA复合材料可实现基于晶体管的存储器的低电压操作，同时具有双极型电荷捕获表现和2.95 V的存储窗口。此外，栅极偏压下电子和空穴的动态捕获/去俘获过程非常类似于神经递质的传输和流动。 因此，基于C₆₀的晶体管也证明了包括EPSC，PPF，PPD，STP，LTP等等的生物突触行为。实验结果为使用溶液处理方法实现有机分子晶体管的电导调制提供了途径，并且促进了基于富勒烯的人工突触晶体管的进展。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201805599

本文由深圳大学周晔和韩素婷研究团队供稿，材料人编辑部编辑。

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