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近日，南開大學(xue)電子(zi)信(xin)息與光學(xue)工程學(xue)院光電子(zi)所(suo)徐文濤教(jiao)授(shou)課題(ti)組聯合李躍龍(long)副教(jiao)授(shou)課題(ti)組，針對(dui)后(hou)摩爾(er)時代關鍵器件能耗問(wen)題(ti)，首次(ci)提出基(ji)于室溫結晶鈣(gai)鈦礦半(ban)導體薄膜的超快響(xiang)應人工突觸器件并深入研(yan)究了其背后(hou)的載(zai)流子(zi)遷移動力學(xue)。該研(yan)究以“A Bioinspired Flexible Neuromuscular System Based Thermal-Annealing-Free Perovskite with Passivation”為題(ti)發表(biao)在(zai)國際著名學(xue)術期刊《自然·通訊(xun)》（Nature Communications）上。
相(xiang)較(jiao)于傳統硅(gui)基計(ji)算機，得益于存-算一體的(de)(de)架構和(he)分布式處理的(de)(de)邏(luo)輯，人腦只(zhi)需更低能(neng)(neng)耗便可解(jie)決相(xiang)同(tong)的(de)(de)處理任(ren)務。因此，類(lei)腦計(ji)算成(cheng)為打破后摩爾時(shi)代瓶頸的(de)(de)最佳解(jie)決方案之一，人工突觸是類(lei)腦仿生系(xi)統組成(cheng)和(he)功能(neng)(neng)的(de)(de)基礎(chu)單(dan)位器件，其(qi)運行速度和(he)能(neng)(neng)耗大小對(dui)系(xi)統性能(neng)(neng)有著舉(ju)足輕重(zhong)的(de)(de)影響。
徐文濤教授團隊和(he)李躍龍副教授團隊共同提(ti)出一(yi)種無需退(tui)火工(gong)藝的鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)基柔性(xing)人工(gong)突觸(chu)器(qi)(qi)件，通(tong)過新的全(quan)室(shi)溫結晶(jing)鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)半導體有源層解決方案(an)，得到高質量00l取向鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)薄(bo)膜(mo)，規范(fan)了(le)載流(liu)子遷移路徑，輔以鈍化工(gong)藝，進(jin)一(yi)步(bu)減小空位等(deng)缺(que)陷(xian)密(mi)度，成功打(da)破了(le)兩端突觸(chu)器(qi)(qi)件的最低(di)能耗世界紀錄(lu)，實現了(le)每次脈(mo)沖(chong)尖峰(feng)下13.5aJ（即不到一(yi)粒大米熱(re)量的1/1018）的超低(di)能耗和(he)高達4.17MHz的超快(kuai)穩定響應頻(pin)率。
上(shang)圖：a 理(li)論預(yu)測(ce)室溫鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)中載流子的遷移路(lu)徑；b DFT計算不同路(lu)徑下I-空位遷移活化能；c 自研改裝原位面電(dian)勢測(ce)試裝置；d，e 離(li)子遷移前后鈣(gai)鈦(tai)表面電(dian)勢；f 突觸器件興奮性(xing)后電(dian)流；g 器件能耗可(ke)(ke)重(zhong)復(fu)性(xing)驗證；h，i ;與(yu)其他先(xian)進研究成果(guo)的對比；j 超高頻率下的突觸脈沖(chong)尖峰速率依賴可(ke)(ke)塑(su)性(xing)(Spike-rate-dependent plasticity)研究。
在(zai)成功(gong)(gong)實現塑性(xing)調節、邏輯運算、時空關聯信(xin)息處理和關聯學(xue)習(xi)等(deng)重要(yao)神經(jing)功(gong)(gong)能(neng)(neng)的(de)基礎(chu)上，團(tuan)隊成功(gong)(gong)以(yi)此器件為信(xin)息處理核心，構建(jian)了具(ju)(ju)有肌(ji)肉(rou)疲勞感知功(gong)(gong)能(neng)(neng)的(de)神經(jing)肌(ji)肉(rou)系統(tong)（Neuromuscular System），對外周神經(jing)反(fan)射(she)弧修(xiu)復再生、神經(jing)形態軟(ruan)體(ti)機(ji)器人(ren)以(yi)及物理智能(neng)(neng)（Physical Intelligence ，PI）等(deng)領域(yu)發展具(ju)(ju)有重要(yao)意義(yi)。
該論文(wen)第一作(zuo)者為光(guang)電(dian)子所劉甲奇和龔(gong)江東兩位博士生，徐文(wen)濤教授、李躍龍副教授為論文(wen)共同通訊(xun)作(zuo)者。該研究工作(zuo)獲國家杰出青年(nian)科(ke)(ke)學基金、科(ke)(ke)技部(bu)重(zhong)點研發計劃(hua)、天津市杰出青年(nian)科(ke)(ke)學基金，國家自然科(ke)(ke)學基金等(deng)支持。（電(dian)子信息與光(guang)學工程學院供稿）
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