【儀表網 研發快訊】人工突觸為仿生神經系統模擬提供了新途徑，并有望突破馮·諾依曼瓶頸。盡管潛力巨大，當前神經形態器件仍面臨電解風險、材料降解、鐵電疲勞以及離子遷移/俘獲導致的不可逆電導變化等挑戰。
 

　　近日，北理工姜瀾院士、周家東教授(共同通訊作者)提出，FePSe?材料中由強電子-聲子耦合誘導的本征結構畸變會產生自俘獲機制，特異性俘獲電子并在1 ps內形成極化子以實現電荷局域化。基于該機理，研究者實現了通過石墨烯向FePSe?進行可逆電子捕獲與釋放而形成極化子的憶阻器，其具備超過124 V的大存儲窗口，并在10³次以上開關循環中保持穩定的電學性能。此外，FePSe?-Gr器件在不同幅值與數量的電脈沖刺激下表現出良好的突觸可塑性，顯示出在人工突觸器件中的應用潛力。同時，在光注入條件下觀察到因極化子飽和形成而產生的突觸重置功能。本研究為構建穩定、高性能的人工突觸器件提供了一種微觀機制層面的解決方案，推動了神經形態系統的應用發展。文章以“Polarizable Lattice Induced Persistent and Preferential Electron Self-Trapping in FePSe? for Bimodal Operation Artificial Synapse”為題發表于《ACS Nano》上，北京理工大學博士研究生劉繼健，高國權和郭丹為論文共同第一作者。
 

　　圖1. FePSe?的合成與表征。(a) FePSe?的生長示意圖。(b) FePSe?的拉曼光譜。在148、167和215 cm?¹處分別觀察到FePSe?的拉曼特征峰。(c) 215 cm?¹處的拉曼強度映射圖像及對應的光學顯微鏡圖像(圖1c內嵌插圖)。(d−f) 分別為Fe 2p、P 2p和Se 3d軌道的XPS精細譜。其特征峰位與已報道結果一致。(g) 不同厚度FePSe?在SiO?/Si襯底上的光學顯微鏡圖像。
 

　　圖2. FePSe?的原子結構表征。(a) FePSe?晶體結構示意圖。(i) 單層FePSe?俯視圖。(ii) FePSe?側視圖。(iii) 本征[FeSe?]??與[P?Se?]??八面體結構示意圖。(b) FePSe?的原子分辨率HAADF-STEM圖像。(c) 圖(b)白色標記區域的對應HAADF-STEM圖像，插圖為FePSe?對應的原子模型。(d) FePSe?面內STEM圖像對應的SAED衍射圖譜。高度結晶化的結構顯示出周期性原子排列且無任何空位缺陷。(e) FePSe?的截面HAADF-STEM圖像。(f) 圖(e)黃色標記區域的對應HAADF-STEM圖像，插圖為對應的原子模型。(g) FePSe?截面STEM圖像對應的SAED衍射圖譜。高度結晶化的結構顯示出周期性原子排列且無任何空位缺陷。
 

　　圖3. FePSe?中的異步極化子形成。(a) FePSe?的二維瞬態吸收光譜隨探測波長與延遲時間的變化關系。(b) 穩態反射光譜一階導數與1 ps內瞬態響應信號的對比。(c) 基態漂白信號動力學及其功率依賴性(在時間延遲為2 ps處歸一化)，同時對比MoS?的動力學以對比系統的儀器響應時間。(d) 異步極化子形成過程示意圖。(e) 圖(a)中基態漂白信號光譜位移的演化趨勢，并通過雙指數函數進行擬合。(f) 由圖(c)提取的漂白信號動力學隨激發通量的依賴關系。(g) 高激發密度下極化子形成過程中晶格畸變的競爭過程。 (h) FePSe?中光生載流子空間分布隨時間延遲的演化過程。(i) 載流子形成極化子的不同時間尺度過程中擴散常數的演化趨勢。
 

　　圖4. FePSe?-Gr人工突觸器件的表征與性能測試。(a) FePSe?-Gr器件的拉曼光譜。對器件不同區域進行拉曼光譜表征，證實FePSe?-Gr異質結成功構筑。插圖為該器件的光學顯微圖像，其中石墨烯區域與FePSe?區域分別用藍色和黃色虛線標出。(b) 原始石墨烯的Id-Vg曲線。觀察到預期的"鐘形"特征曲線，這是單層石墨烯的典型電學特性。(c) FePSe?-Gr器件的Id-Vg曲線(在Vd=10-500 mV范圍內施加雙向掃描Vg(±80 V)測得)顯示出相似的遲滯窗口。箭頭與數字代表掃描方向與順序。僅測試石墨烯的Id-Vg曲線，這是因為源漏電極連接于石墨烯兩端，未與FePSe?直接接觸。 (d) FePSe?-Gr器件在Vd=0.1 V時，不同Vg下的Id-Vg曲線顯示出記憶窗口。隨著Vg增大，記憶窗口逐漸拓寬。(e) 在80至-80 V范圍內施加不同幅值的7周期累積Vg脈沖刺激(柵極脈沖寬度400 ms，Vd=0.1 V)下，Id隨時間演化曲線。非零的突觸后電流證明了電子突觸操作的可行性。(f) FePSe?-Gr器件在暗態及不同功率光照(λ=520 nm)條件下的Id-Vg曲線。隨著光功率增強，記憶窗口逐漸縮小直至消失。(g) 典型生物突觸系統及其等效電路圖。FePSe?-Gr器件實現了雙模態(電學與光學)調控，具備非易失性、多功能及良好的突觸可塑性。
 

　　綜上所述，該研究成功提出了一種由強電子-聲子耦合引發的FePSe?本征結構畸變所誘導的電荷捕獲與釋放自俘獲機制。通過飛秒瞬態吸收光譜與瞬態吸收顯微技術直接追蹤載流子的時空演化，證實FePSe?能夠特異性并高效的捕獲電子，在1皮秒內形成極化子，并將載流子壽命延長至數十納秒。基于這一獨特的自俘獲機制，研究成功實現了雙模調控的FePSe?-Gr人工突觸器件。該器件展現出良好的突觸可塑性、超過124 V的大存儲窗口以及超過10³次循環后仍保持穩定的電學性能。這種具備無損、可逆、優異電荷捕獲與釋放特性的自俘獲機制，在突觸性能與長期穩定性之間取得了良好平衡，彰顯了其在人工突觸器件中的廣闊應用前景，為人工神經形態與神經形態器件的發展開辟了新路徑。