在过去几年里,我们主要从事氧化物双电层薄膜晶体管方面的研究工作,对器件工作模式展开了深入探讨,结合器件的工作机理,实现了其在类脑神经形态器件方面的应用。主要研究进展如下:
1. 重要成果----“巴普洛夫狗条件反射”行为模仿
生理学上著名的“巴普洛夫狗条件反射”(即经典条件反射实验)是一类重要的联想学习行为,其反映了条件刺激和非条件刺激先后关系对神经元活性的影响行为,在单一器件上实现对这一联想学习行为的模仿是类脑神经形态器件的重要研究内容。值得指出的是,STDP学习法则是重要的突触学习行为,对神经系统认知行为具有重要作用,反映了前、后突触刺激对突触权重的影响规律,是调节高级神经活动的重要突触学习机制。可以看出,条件反射与STDP学习法则具有一定的相似性,受此启发,该团队研制了可重复粘贴的氧化物神经形态晶体管,采用透明聚酰亚胺(PI)胶带作为衬底,随后设计了不同波形的突触刺激,成功在单一器件上模仿了生物突触中的四类STDP学习行为,包括Hebbian STDP,反Hebbian STDP,对称STDP及视觉STDP。Hebbian STDP的测试曲线拟合参数与生物突触上实测的参数相近,表明该种神经形态晶体管具有类脑操作特性。基于STDP学习法则,无需外加复杂电路和元器件,即可在单一神经形态晶体管上实现对经典条件反射行为的模仿,包括信息的获取、消退和恢复。此外,还成功模拟了经典条件反射里的条件抑制行为,这也是神经形态器件研究中的首次报导。该成果以“Restickable Oxide Neuromorphic Transistors with Spike-Timing-Dependent-Plasticity and Pavlovian Associative Learning Activities”为题,发表于Advanced Functional Materials 2018, 28 (44) 1804025,
论文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201804025
2. 重要成果----霍奇金-赫胥黎(Hodgkin-Huxley)神经元功能 (Advanced Biosystems 2 (2018)1700198)。
生物突触通常由突触前膜、突触间隙、突触后膜组成,在膜生物物理中,生物突触膜通常可以采用霍奇金-赫胥黎(Hodgkin-Huxley)膜电位模型加以说明,脂质膜被等价为一个电容CLipid,脂质膜上存在一些离子通道,可以将离子泵和离子通道分别看成电源(En)和电阻(Gn)。而对于离子导体电解质,通常可以简化为电容(C)和电阻(R)的组合电路。因此,氧化物双电层薄膜晶体管与霍奇金-赫胥黎(Hodgkin-Huxley)膜电位模型相似,具有双栅结构的氧化物双电层薄膜晶体管的等效电路图与Hodgkin-Huxley等效电路类似。通过电脉冲刺激,在器件上可以获得膜电位响应,包括静息电位、兴奋性/抑制性突触膜电位等。相关研究成果以 “Hodgkin–Huxley Artificial Synaptic Membrane Based on Protonic/Electronic Hybrid Neuromorphic Transistors”为题,发表于Advanced Biosystems (2018, 2, 1700198)上。
论文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adbi.201700198
3. 重要成果----氧化物双电层突触晶体管(Nature Communications 5(2014)3158)
在氧化物EDL TFT中,在外加电场的作用下,质子在栅电极与沟道之间移动,并在界面处形成EDL,从而调控氧化物半导体沟道的电导率。这一静电调控过程与生物神经系统中的突触响应过程类似。将TFT的栅电极作为突触前端,将沟道作为突触后端,从而获得了一种氧化物EDL突触晶体管。在突触前端上施加电压脉冲,实现了对部分生物突触功能的模仿,包括兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、突触滤波等。将具有一定时空关系的信号施加到突触前端,在突触后端上实现了时空信息的整合。在两个突触前端上输入前突触刺激,则在作为突触后端的沟道上可以对两个输入信号进行叠加,获得了超线性或亚线性突触整合功能。相关成果以第一作者身份发表于【Nature Communications 5(2014)3158,Applied Physics Letters 107(2015)143502】上。成果【Nature Communications 5(2014)3158】入选ESI 高被引论文,被国家基金委主办的委刊《Science Foundation in China》2015年第01期上报道。《Science Foundation in China》是《中国科学基金》的英文版,主要对中国基础研究的发展和科学基金工作给予介绍和报道,重点介绍科学基金资助项目的研究进展和研究成果。
图1 (a) 生物突触结构示意图;(b) 氧化物突触晶体管阵列示意图;(c)双脉冲易化(PPF)测试结果; (d) 时空信息整合测试结果。