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物理所制备基于二维层状氧化钼的全固态神经突

文章作者:通讯产品 上传时间:2019-11-03

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人类的大脑可以认为是一种高效的信息存储与计算系统,具有非常低的功耗。这主要源于人脑对信息处理的独特方式。人脑中存在大量的神经元,其相互连接构成复杂的神经元网络。每两个神经元的连接点称为突触,信息通过突触连接强度的变化进行存储与计算。突触可塑性即是通过特定模式的突触活动产生突触权重变化的生物过程,这个过程被认为是大脑学习和记忆的源头。可以看出,人脑是一种典型的非冯·诺依曼构架,即存储与计算于一体的并行信息处理模式,并且具有自适应学习能力、高的容错能力和抗干扰能力。随着人类社会数据量的急剧增加以及数据类型复杂程度的提高,神经网络型信息处理模式的效率将会明显优于传统计算机。因此,开发符合神经形态存储与计算特性的电子器件并进而构建大规模人工神经网络,成为未来信息技术领域发展的一个重要方向。这一目标的实现将依赖于基础科学在新材料和新原理方面的探索。

医学领域的许多重大进展,尤其是神经学领域的进步,都是由能够获取,加工和与生物基质相互作用的电子系统的最新进展引发的。这些越来越多地用于理解动态生物和治疗人类疾病的生物电子系统需要能够记录身体信号,处理它们,检测模式以及提供电或化学刺激以解决问题的装置。

突触晶体管是近年来提出的一种三端忆阻器件,利用其电阻态的非易失性连续变化可以进行神经突触功能的模拟。其结构和工作模式与传统的半导体硅基场效应晶体管相似,通过施加栅极电压来调节忆阻晶体管源极和漏极之间沟道电阻的大小。但是,与硅基场效应晶体管不同的是,突触晶体管采用了具有迁移离子的电解质材料代替二氧化硅作为栅隔离层。在栅极电压作用下,迁移离子与沟道材料发生电化学反应并注入到沟道中,使得在栅极电压去除后,沟道电阻的变化可以保持下来。近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室孙阳研究组利用二维层状α-MoO3单晶薄片作为沟道材料,离子液体作为栅极,实现了这种突触晶体管,利用该器件的电阻态的变化,成功模拟了突触权重增强和减弱、短时记忆至长时记忆的转变等典型神经突触可塑性行为 [Advanced Materials 29, 1700906 ]。然而,由于这种突触晶体管采用离子液体作为栅隔离层,并且沟道电导的变化行为强烈依赖于环境的湿度变化,不利于实现大规模阵列器件的制备和应用,需要进一步开发具有新机制或新结构的全固态突触晶体管器件。

近年来,科学家们在获取、处理生物基质并与之交互的电子系统方面取得的进展,引发了医学特别是神经病学领域中许多的重要进展。这些生物电子系统,越来越多地用于理解充满活力的生物体以及治疗人类疾病,这些疾病往往需要一些可以记录并处理身体信号,识别模式,释放电或者化学刺激来应对这些问题的设备。

最近,在前期工作基础上,孙阳研究组副研究员尚大山和博士生杨传森、刘楠等采用固态Li离子电解质替代了离子液体作为栅隔离层,制备了一种全固态突触晶体管。在栅极电压作用下,通过Li离子在层状α-MoO3中的注入与抽出,实现了α-MoO3沟道电阻在低电导条件下的多态可逆变化,并且成功模拟了神经突触权重变化等行为。由于引入了Li离子作为掺杂剂,该器件可以在真空条件下实现沟道电导变化,从而摆脱了对外界环境的依赖,有望实现大规模器件阵列的制备。神经形态计算模拟表明,采用Li离子突触晶体管阵列构建的三层神经网络(784×300×10)并结合反向传播算法,可以实现对手写数字库(MNIST,Modified National Institute of Standards and Technology)的训练与识别,识别精度达到87.3%。这一工作证明了将Li离子固态电解质用于实现低功耗全固态突触晶体管的可行性,为实现大规模突触晶体管阵列制备,开发高能效神经形态计算网络提供了新的途径。

可安全有效诊断并治疗脑部病变的低成本柔性传感器

以上研究结果已发表于《先进功能材料》(Advanced Functional Materials 28,1804170。该工作得到国家自然科学基金项目(61874143,51671213,11534015,51725104)、科技部重点研发计划项目(2016YFA0300701)和中科院先导专项(XDB07000000)的支持。

可同步听取并刺激大脑中电流的新型神经刺激器

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晶体管,是一种非常重要的半导体元件。简单说,晶体管可用于“开关”或者“放大”电路上的电流。包括生物电子系统在内的许多电子系统,都离不开这一基础元件。随着技术创新的不断深入和发展,如今科学家们研制出了各式各样的创新型晶体管,例如采用印刷电子工艺和二维材料制造出的晶体管、基于电子自旋的晶体管、基于激子的晶体管、热电有机晶体管、超薄透明的柔性的晶体管。

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用二维纳米材料喷墨打印而成的晶体管

图1 基于α-MoO3的突触晶体管的结构、电输运性质与锂离子注入/抽出机制。

基于磁振子的自旋晶体管

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热电有机晶体管

图2 在栅极电压脉冲作用下,突触晶体管沟道电流的易失性与非易失性变化以及模拟兴奋性突触后电流与配对脉冲易化等电生理行为。

柔性、超薄、透明的氧化物薄膜晶体管

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可是,如果晶体管要在人体等各种生物环境中安全有效地运行,就必须满足许多苛刻的标准。迄今为止,科学家们尚未构造出符合在这些环境中长时间安全、可靠、快速运行的所有特征的晶体管。

图3 突触晶体管沟道电导的模拟式多态可逆变化;状态保持性;器件间的重复性。

由哥伦比亚工程公司电气工程助理教授Dion Khodagholy和哥伦比亚大学医学中心神经病学系和基因组医学研究所的Jennifer N. Gelinas领导的团队开发出第一个生物相容性离子驱动晶体管,其速度足够快实现实时信号传感和脑信号的刺激。相关论文于2月27日发表在《科学进展》期刊上。

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下图所示:贴合在兰花瓣表面的基于IGT的NAND和NOR逻辑门。比例尺1厘米。

图4 神经形态计算模拟:三层神经网络;突触权重层;单次栅电压脉冲诱导的沟道电导变化的机率分布;识别率随训练次数的变化。

这种内部离子门控有机电化学晶体管的运行,是通过包含在导电聚合物沟道内的可动离子来运行的。它实现了较高的体积比电容并且缩短了离子的输运时间。这种IGT具有大跨导和高速度,并能被独立地门控和微加工,从而创造出可伸缩、可整合的集成电路。在论文中,研究人员们演示了他们的IGT能为人类皮肤提供一种小型化、柔软、可整合的接口,采用局部放大的方法记录适合高级数据处理的高质量神经信号。

IGT的结构与稳定状态特性

Khodagholy 表示:“我们制造出一种晶体管,它采用离子进行通信,通信速度快到足以执行神经生理学所要求的复杂计算任务。我们的晶体管沟道是由完全生物相容的材料制作出来的,它与离子和电子都可以进行相互作用,使得与身体神经信号的通信更加高效。现在,我们已经能够构造出更安全、更小型、更智能的生物电子器件,例如脑机接口、可穿戴电子器件、反应性疗法的刺激装置,这些装置可长期植入人体。”

过去,生物电子器件一直采用的是传统硅基晶体管。可是,这些晶体管必须经过小心翼翼地封装,从而避免接触体液,这样做不仅是为了病人的安全,也是为了器件的正常工作。这一要求使得基于这些晶体管的植入物变得庞大且僵硬。与此同时,科学家们在有机电子领域完成了大量工作,通过塑料创造具有先天柔性的晶体管,这些设计包括电解液门控晶体管或者电化学晶体管,它们的输出可以基于离子电流来调制。可是,这些装置运行得不够快,无法执行神经生理学应用中的生物电子器件所需要的计算。

Khodagholy 和他的博士后研究员 George Spyropoulos,构造出一个基于导电聚合物的晶体管来实现离子调制。而且为了让这个器件运行得更快,他们修改了材料,使之具有自己的可动离子。通过缩短离子在聚合物结构中所需要传输的距离,他们将晶体管的速度较其他同等尺寸的离子器件提升了一个量级。

Khodagholy 表示:“重要的是,我们仅采用了完全生物相容的材料来创造这个器件。我们的秘方是山梨糖醇,或者说糖。糖分子吸引水分子,不仅帮助晶体管沟道保持水分,而且也帮助离子在沟道内更容易、更快速地传输。”

因为IGT有望显著提升脑电图检查的简便性和耐受性,研究人员选择了该平台来演示他们设备的转化能力。通过采用他们的晶体管从头皮表面记录人脑电波,他们展示了直接位于“器件-头皮接口”上的IGT局部放大,使得接触尺寸减小了五个数量级。整个设备能在头发毛囊之间轻易地安装,从本质上简化了安装过程。这个设备也容易用手操控,改善了机械和电气稳定性。此外,由于微型的EEG IGT器件可以与头皮很好地结合,无需化学粘合剂,所以患者的皮肤不会受到化学粘合剂的刺激,总体来说更加舒适。

微米级的IGT获取高质量人脑电波信号

这些器件也可以用于制作可植入的闭环设备,例如目前用于治疗某些医学上难治的癫痫病的那些设备。这种设备会更小,更容易植入,也可以提供更多信息。

Gelinas 表示:“我们起初的灵感就是为神经植入物制造可整合的晶体管。当专门为大脑测试这一设备时,我们发现IGT也可以用于记录心脏、肌肉和眼部的运动。”

Khodagholy 和 Gelinas 现在正在探索,对于他们可以将哪种可动离子嵌入到聚合物中,是否存在物理限制。他们也正在研究可嵌入可动离子的新型材料,以及进一步改进他们的工作,来为反应性刺激设备的制作集成电路。

Khodagholy 表示:“我们感到非常振奋,因为我们能够通过添加简单的成分,充分地改善离子晶体管。这样的速度和放大率,以及微加工的简便性,使得这些晶体管有望应用于许多不同的设备。未来,采用这些设备,在造福病人健康方面有着巨大的潜力。”

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