Nano Lett.┃清华大学刘锴课题组：单层MoS2高温神经形态晶体管

英文原题：Monolayer MoS₂ Synaptic Transistors for High-Temperature Neuromorphic Applications

通讯作者：刘锴 副教授，清华大学

作者： Bolun Wang (王博伦), Xuewen Wang (王学雯), Enze Wang (王恩泽), Chenyu Li (李晨宇), Ruixuan Peng (彭瑞轩), Yonghuang Wu (吴永煌), Zeqin Xin (信泽钦), Yufei Sun (孙雨飞), Jing Guo (郭婧) , Shoushan Fan (范守善), Chen Wang (王琛), Jian Shi (唐建石), Kai Liu (刘锴)

人工神经形态器件是构建人工神经网络、实现人工智能应用的核心单元，在应用中会不可避免地面临复杂的工作环境。例如，在航空航天、高速机车、深井开采等领域对高温电子器件具有很高的需求。然而，高温导致的材料损伤和器件工作机理失效等问题为高温神经形态器件的研发带来了巨大挑战。

近日，清华大学刘锴（点击查看介绍）课题组在Nano Letters 上提出了基于钠离子栅控单层二维材料的高温神经形态晶体管的设计策略。该晶体管以单层MoS₂为沟道材料，以钠离子扩散的SiO₂层为介质层。在高温条件下，栅极电压可以控制SiO₂层中的钠离子上下迁移，靠近或远离单层MoS₂沟道。聚集或耗尽的钠离子所产生的离子栅控效应可以显著增强或降低单层MoS₂的电导。在350 °C的高温工作环境中，该器件的开关比仍可达到10⁶，比不含钠离子的器件在相同栅压范围内提高了5个数量级。

图1. 单层MoS₂高温神经形态晶体管的工作机理

在模拟生物神经突触时，单层MoS₂高温神经形态晶体管的栅极为脉冲刺激的输入端，源漏电流为突触后电流。在350 °C的工作温度下，正向或负向的脉冲刺激可以触发增强或抑制的突触后电流，并在20 s内回到原数值，这表明器件具有短时程可塑性。在双脉冲刺激下，器件具有双脉冲易化可塑性。在一系列不同频率的脉冲刺激下，该器件表现了出优异的生物滤波特性。随着频率从1 Hz增大到10 Hz，突触后电流可以变化3个数量级，优于前人所报道的突触晶体管。

图2. 单层MoS₂高温神经形态晶体管的短时程可塑性

在150 °C的工作温度下，由于钠离子迁移率降低、迁移势垒升高，单层MoS₂高温神经形态晶体管的增强或抑制的突触后电流可以维持200 s以上，表现为长时程可塑性。在连续的正向和负向脉冲刺激下，器件电导可以被连续稳定调控，表现出了循环稳定性高、线性度好的长时程增强和长时程抑制可塑性。此外，器件还表现出了类似人脑的学习-遗忘和尖峰时序依赖可塑性。

图3. 单层MoS₂高温神经形态晶体管的长时程可塑性

基于单层MoS₂高温神经形态晶体管构建的高温人工神经网络可以进行图片识别应用。在训练后，神经网络对手写数字数据库的识别准确可达90%，展示了高温形态计算的应用潜力。进一步利用图案化钠离子扩散技术还可以实现更复杂的高温集成器件。

图4. 基于单层MoS₂高温神经形态晶体管的神经网络与集成器件

相关论文发表在国际著名学术期刊Nano Letters 上，清华大学材料学院博士生王博伦为第一作者，清华大学材料学院刘锴副教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Monolayer MoS₂ Synaptic Transistors for High-Temperature Neuromorphic Applications

Bolun Wang, Xuewen Wang, Enze Wang, Chenyu Li, Ruixuan Peng, Yonghuang Wu, Zeqin Xin, Yufei Sun, Jing Guo, Shoushan Fan, Chen Wang, Jianshi Tang, and Kai Liu*

Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03684

Publication Date: December 6, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

通讯作者信息

刘锴，清华大学材料学院长聘副教授，博士生导师。2008年在清华大学物理系获博士学位，之后在美国劳伦斯-伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校从事博士后研究，2015年入职清华大学。长期致力于碳纳米管、二维原子晶体等低维材料的界面性质和智能器件研究，近五年来关注低维异质结构的快速高温制备和极端环境器件应用。至今在Science、Science Adv.、Nano Lett.、Adv. Mater.、Mater. Today等期刊上发表学术论文110余篇，授权发明专利50余项。获中国材料研究学会科学技术奖一等奖（第1完成人）、全国百篇优秀博士学位论文等奖励。担任中国材料研究学会青年委员会理事，SmartMat、Chin. Phys. Lett.等期刊青年编委，J. Electron. Sci. Technol. 执行编委。

刘锴

https://www.x-mol.com/university/faculty/17901 

课题组主页

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（本稿件来自ACS Publications）