环境响应动作控制的突触晶体管

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

近年来受生物启发的神经元系统因被应用人工智能领域而受到广泛关注，作为神经元的重要连接部分，人工突触接收、处理、传递来自人类感知系统中的信号，从而模拟生物功能。但是迄今为止对于能够实现短程可塑性（STP）以及长程可塑性（LTP）之间快速转换，具有良好重构性的突触器件的研究与制备仍是当今研究的热点之一。

南开大学徐文涛（点击查看介绍）团队设计了首个p-i-n结突触晶体管器件，该晶体管基于覆盖有PMMA和顶部p型P3HT/PEO纳米线的n型TiO₂薄膜。除了可以由单个神经递质实现的基本突触功能外，电子设备还模拟了不同神经递质（即谷氨酸和乙酰胆碱）的多路复用神经递质，以便在短期和长期可塑性（STP和LTP）之间快速切换。这是通过特殊的p-i-n结实现的，该结在p型P3HT NW中具有空穴传输，从而形成STP，在n型TiO₂层中并在PMMA反转层下捕获电子，从而形成LTP，从而实现了电子传输。改变外部输入可快速改变电子与空穴之间的电荷载流子，从而快速切换STP和LTP。当使用两个平行输入刺激时，PMMA/TiO₂的响应模拟了味觉和香气对大脑食物摄入控制的协同作用。由于双极性，p-i-n JST具有出色的可重构性，其重要属性是模拟突触的可塑性并模拟不同类型的味觉受体神经元如何响应不同浓度的盐。电子设备为将来实现复杂的人工神经网络奠定了技术基础。

同时，该突触晶体管器件具有良好的环境稳定性，更重要的是，p-i-n JST在识别EMNIST模式时达到了约93%的准确度。并且该设备响应于不同的突触输入来控制聚合物致动器的正向和反向弯曲。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是南开大学的博士研究生张硕，硕士研究生郭科鑫以及博士后孙林。

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Selective Release of Different Neurotransmitters Emulated by a p–i–n Junction Synaptic Transistor for Environment Responsive Action Control

Shuo Zhang, Kexin Guo, Lin Sun, Yao Ni, Lu Liu, Wenlong Xu, Lu Yang, and Wentao Xu*

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202007350

徐文涛教授简介

徐文涛，南开大学电子信息与光学工程学院光电子薄膜器件与技术研究所教授，博士生导师。

本科毕业于北京师范大学，博士毕业于韩国浦项工科大学，曾任韩国首尔国立大学和浦项工科大学研究副教授。曾在美国斯坦福大学鲍哲南教授研究组和伊利诺伊大学香槟分校John A Rogers教授研究组进行合作研究和访问学习。

徐文涛教授的研究领域涉及多学科交叉，包括各种材料、化学在神经仿生电子器件、信息存储器件、场效应晶体管、柔性可穿戴电子等方面的应用。近来的研究主要围绕柔性神经形态电子学领域，从类神经形态纤维材料制备、神经形态器件的新机理研究与性能突破、以及人体感觉与运动神经形态电子设计与开发等三个方面开展了系统性的工作。曾先后入选南开大学百名青年学科带头人、国家级青年人才、天津市海河英才计划领军人才、天津市杰青等人才项目。发表高水平论文 53 篇。其中第一作者和通讯作者 43 篇，包括 Science 1篇（入选Science和Nature研究亮点），Science  Advances 1 篇（入选 Nature Nanotechnology 研究亮点），Nature communications 1 篇，Advanced Materials 5 篇、Nano Energy 3篇、Materials Horizons 1 篇、Small 4 篇等期刊论文，4 项工作被选为 Advanced Materials杂志封面。参编英文著作一部。申请 PCT 专利、中国和韩国专利20项，其中 3 项已获授权，多项成果被媒体广泛报道。应邀在国内外柔性与神经拟态电子领域的顶级学术会议上做了多次邀请报告。主持和参与多项人才计划项目及科技项目。实现了类神经形态纤维材料的数码可控的制备；首次开发出飞焦级别能耗的人工突触、并创造了人工突触电压响应灵敏度的世界记录；开发出世界首条柔性人工传入神经。

https://www.x-mol.com/university/faculty/63483

科研思路分析

想法的产生：

针对人工神经突触器件的现存问题，构建具有良好重构性的突触晶体管器件。P3HT是典型的共轭聚合物薄膜材料，其中的微结构中有很多结晶区域和间隙，这些微结构对记忆时间有着巨大的影响。相比较于二氧化钛薄膜，P3HT薄膜具有更明显的P型特征，所以将其打印成一维纳米线结构，从而构成P、N型特征对称的人工突触器件。