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神经仿生材料与器件实验室(Neuro-inspired materials and devices Lab)

祝贺梅婷婷、刘文超的文章被Angew. Chem. Int. Ed.期刊收录!

作者:郑颖

近日,肖凯副教授课题组的论文 “Bio-inspired Two-dimensional Nanofluidic Ionic Transistor for Neuromorphic Signal Processing” 发表于Angew. Chem. Int. Ed.期刊。科研助理梅婷婷和博士生刘文超为共同第一作者,通讯作者为肖凯副教授。


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【全文速览】

该论文受电压门控离子通道(即生命体的晶体管)的膜电位响应机理启发,成功制备了一个基于跨膜电位响应的离子基晶体管,实现了以离子为载流子的纳米流体晶体管的优异性能,并展示了其在离子基电路和神经拟态的信号处理上的应用与未来发展方向。


【内容介绍】

电子器件和大脑信息处理机制的最大差别是:人脑是使用离子作为信息载体的一个具有超低能耗和超高性能的智能系统。电压离子通道是生物系统中最重要的通道蛋白之一,它通过响应膜电位的变化控制离子传输来形成动作电位传递信息,被称为生命的晶体管。受此启发,基于离子为信息载体的离子晶体管应运而生,探索精确控制离子传输的人工器件将有助于推动基于离子体系的超低能耗信息技术开发,在离子传感、低能耗神经拟态计算、脑机接口等领域具有广泛的应用前景

现有的离子晶体管基于纳米流体的双电层(EDL)效应,成功实现了通过栅极电压改变通道表面电荷密度来控制离子的传输行为。然而要实现类似神经元的信号处理,需要制造具有高灵敏度,高开关比,且快速响应的离子基晶体管。以报道的离子基晶体管的开关比(~10)仍达不到构筑离子电路的需求,且体现晶体管开关特性的亚阈值摆幅(SS)在纳米流体晶体管的研究中往往被忽视。

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1 生命体的晶体管和仿生离子基晶体管工作机理示意图

本文受膜电位响应离子通道启发,通过在MXene膜施加单侧门控电压形成类似神经元细胞膜的跨膜电位,构筑了基于跨膜电位响应的离子基晶体管 (图1),获得了~2000的高开关比。并通过引入非对称PET/MXene复合膜实现了离子基晶体管从双极型到单极型的转变。且亚阈值摆幅降低到560 mV/decade,体现了更灵敏的开关特性。借助离子晶体管的优异性能,成功构筑包括“非门”,“与非门”,“或非门“的离子基逻辑门电路(图2),实现了类似神经元树突信号整合的功能,为未来更复杂的离子电路的构建,实现高度并行和低能离子基类脑计算提供了一条有希望的途径。

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2 离子基逻辑电路的构筑与神经拟态信号处理


全文链接:https://doi.org/10.1002/anie.202401477


文章分类: 新闻动态研究进展
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