周鹏课题组合作研究在二维神经形态器件上取得新进展

jidianqi

随着人工智能大数据时代的到来，受人脑启发的具备高效能量利用，大规模并行性、灵活的自适应能力和高密度信息传输处理能力的神经形态/类脑计算可能实现前所未有的技术突破，从根本上克服Carver Mead提出的von Neumann架构系统的瓶颈。

近日，复旦大学微电子学院教授周鹏课题组和南京大学电子科学与工程学院教授王欣然课题组合作，利用无机二维层状MoS2以及有机二维层状PTCDA薄膜构建有机-无机二维杂化异质结体系，首次在世界上实现了基于全二维材料的、有机无机杂化、光电双调制、超高性能和时间鲁棒性的人造突触单元，为硬件实现神经形态网络、类脑计算和相关技术领域的应用开辟了一条全新的道路。相关成果以《具有高效光电双调制和多功能性的MoS2/PTCDA杂化异质结突触》(“A MoS2/PTCDA
hybrid heterojunction synapse with efficient photoelectric dual modulation and versatility”)为题发表于《先进材料》（Advanced Materials）。

神经突触是人类大脑信息处理和记忆的基本单位，利用新材料新构架开发新型人造电子/光电子器件模拟神经突触可塑性，对神经形态网络硬件实现和神经形态类脑计算的演化具有重要意义。通常，人工神经突触可以通过电刺激来调节，而光学调制可以弥合视觉系统和大脑功能之间的差距。然而，对目前的人造突触器件而言，在单一器件中结合高效的电学和光学调制仍然是多功能神经形态计算中的一个重要挑战。因此，寻找新材料、设计新结构体系来实现神经形态网络硬件单元高效的光电双调制和多功能性成为一项迫切的任务。

二维过渡金属硫族化物（2D TMDCs）凭借原子级厚度，无悬挂键的洁净表面，奇特的物理特性，超高的集成密度和极低能耗，被业内视为可应用在未来存储和神经形态/类脑计算技术的重要候选者。同时，有机生物电子由于低成本的加工，机械柔性和生物兼容性而引起了人们对神经应用的浓厚兴趣。二维有机材料如苝-3,4,9,10-四羧酸二酐（PTCDA），不仅因为它们独特的光电特性，而且因为它们与大多数无机二维材料具有优异的兼容性，受到研究者们越来越多的关注。

课题组选取MoS2和PTCDA有机无机杂化异质结作为人造神经突触单元，模拟了生物突触的一系列功能特性。测试结果显示，这种基于全二维有机无机材料的异质结能够实现高效的光电双调控，超高性能及多功能性。最后，通过二维无机和有机半导体精心的能带排列解释了该器件构型超高光电双调控和性能的物理机理，进一步揭示了该体系中基于异质结界面电子迁移的工作机制，即通过异质结界面处载流子的转移在单个器件上同时实现稳健的电学和光学调制，且具备优异的性能。

这项研究工作不仅展示了全二维有机无机层状材料杂化异质结构在神经形态计算网络领域中的巨大应用前景，对未来神经形态网络和类脑计算硬件单元的设计与研究有着重要的指导意义。同时，二维有机无机杂化异质结构可以结合有机无机二维材料的优异性质，也给人们提供了一种解决其它领域电子器件技术挑战的可能的通用途径。

复旦大学微电子学院博士研究生王水源和南京大学电子科学与工程学院博士研究生陈春生为论文的共同第一作者，周鹏和王欣然为本文的共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金和国家重点研究发展计划的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.201806227