近日，南開大學電子信息與光學工程學院光電子所教授徐文濤課題組聯合副教授李躍龍課題組，針對后摩爾時代關鍵器件能耗問題，首次提出基于室溫結晶鈣鈦礦半導體薄膜的超快響應人工突觸器件并深入研究了其背后的載流子遷移動力學。該研究發表在國際著名學術期刊《自然-通訊》上。
相較于傳統硅基計算機，得益于存-算一體的架構和分布式處理的邏輯，人腦只需更低能耗便可解決相同的處理任務。因此，類腦計算成為打破后摩爾時代瓶頸的最佳解決方案之一，人工突觸是類腦仿生系統組成和功能的基礎單位器件，其運行速度和能耗大小對系統性能有著舉足輕重的影響。
a 理論預測室溫鈣鈦礦中載流子的遷移路徑；b DFT計算不同路徑下I-空位遷移活化能；c 自研改裝原位面電勢測試裝置；d，e 離子遷移前后鈣鈦表面電勢；f 突觸器件興奮性后電流；g 器件能耗可重復性驗證；h，i 與其他先進研究成果的對比；j 超高頻率下的突觸脈沖尖峰速率依賴可塑性研究。南開大學供圖
徐文濤團隊和李躍龍團隊共同提出一種無需退火工藝的鈣鈦礦基柔性人工突觸器件，通過新的全室溫結晶鈣鈦礦半導體有源層解決方案，得到高質量00l取向鈣鈦礦薄膜，規范了載流子遷移路徑，輔以鈍化工藝，進一步減小空位等缺陷密度，成功打破了兩端突觸器件的最低能耗世界紀錄，實現了每次脈沖尖峰下13.5埃焦（即不到一粒大米熱量的1/1018）的超低能耗和高達4.17MHz的超快穩定響應頻率。
神經肌肉系統示意圖。南開大學供圖
在成功實現塑性調節、邏輯運算、時空關聯信息處理和關聯學習等重要神經功能的基礎上，團隊成功以此器件為信息處理核心，構建了具有肌肉疲勞感知功能的神經肌肉系統，對外周神經反射弧修復再生、神經形態軟體機器人以及物理智能等領域發展具有重要意義。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35092-w
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