近年来, 受人脑独特工作模式的启发, 利用人工神经形态器件模拟突触和神经元的感知与计算功能吸引了广泛关注。到目前为止, 已经有很多关于神经形态晶体管的报道, 但绝大多数器件是在刚性衬底上加工的。柔性神经形态晶体管不仅可以同时实现信号传输和训练学习, 对多路信号进行非线性的时空整合与协同调控, 而且能密切贴合柔软的人体皮肤, 承受器官和组织的高生理应变。更重要的是, 柔性神经形态晶体管具有可设计的灵活性和优异的生物兼容性, 在检测生物环境中生理相关时间尺度的低幅信号方面具备独特的优势和应用潜力。柔性神经形态晶体管已经广泛应用于电子皮肤、人工视觉系统、智能可穿戴系统等领域。目前, 研制低功耗、高密度集成的柔性神经形态晶体管是研究的首要任务之一。本文综述了基于不同柔性衬底的神经形态晶体管的研究进展, 并展望了柔性神经形态晶体管的未来应用前景，这将为未来柔性神经晶体管的研制以及智能计算和感知应用提供比较详实的参考。

传统的人工视觉系统基于冯•诺依曼架构, 其视觉采集单元、处理单元和存储单元分离, 因而冗余数据在各个单元之间传递会造成高延迟和能耗。为了解决这一问题, 新一代神经形态视觉系统应用而生, 其具有感知、存储、计算一体化的架构, 既可以减少数据传递, 又可以提高数据处理效率。作为神经形态视觉系统的硬件实现基础, 光电人工突触器件近年来得到广泛研究。光电人工突触器件将光敏元件与突触器件的功能相结合, 为实现低延迟、高能效和高可靠性的神经形态视觉系统提供了新的可能。虽然光电人工突触材料千差万别, 但其工作机理主要包括氧空位的电离和解离、光生载流子的捕获和释放、光致相变以及光与铁电复杂相互作用等。本文从工作机理的角度, 介绍了光电人工突触器件的最新研究进展, 并分析了不同工作机理的优点及其面临的挑战。最后, 概述了未来光电人工突触的应用前景和发展方向。

忆阻器可以在单一器件上实现存储和计算功能, 成为打破冯·诺依曼瓶颈的核心电子元器件之一。它凭借独特的易失性/非易失性电阻特性, 可以很好地模拟大脑活动中的突触/神经元的功能。此外, 基于金属氧化物的忆阻器与传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容, 受到了广泛关注。近年来, 研究提出了多种基于单介质层结构的金属氧化物忆阻器, 但仍然存在高低阻态不稳定、开关电压波动大和循环耐久性差等问题。在此基础上, 研究人员通过在金属氧化物忆阻器中引入双介质层成功优化了忆阻器的性能。本文首先详细介绍了氧化物双介质层忆阻器的优势, 阐述了氧化物双介质层忆阻器的阻变机理和设计思路, 并进一步介绍了氧化物双介质层忆阻器在神经形态计算中的应用。本文将为设计更高性能的氧化物双介质层忆阻器起到一定的启示作用。

电解质栅控晶体管(Electrolyte-gated transistors, EGTs)的沟道电导连续可调特性使其在构建神经形态计算系统中具有巨大应用潜力。本工作以非晶态Nb₂O₅作为沟道材料, Li_xSiO₂作为栅电解质材料, 制备了一种具备低沟道电导(~120 nS)的EGT器件。该器件利用Li⁺嵌入/脱出Nb₂O₅晶格导致的沟道电导连续可逆变化, 模拟了神经突触的短程可塑性(Short-term plasticity, STP)、长程可塑性(Long-term plasticity, LTP)以及STP向LTP的转变等功能。基于这种EGT突触特性, 本工作设计了关联学习电路, 实现了突触权重的负反馈调节, 并模拟了“巴普洛夫的狗”经典条件反射行为。这些结果展现出EGT作为神经突触器件的巨大潜力, 为实现神经形态计算硬件提供了器件参考。

作为神经形态计算系统的基本组成单元, 人工突触器件在高性能并行计算、人工智能和自适应学习方面具有巨大的应用潜力。其中, 电解质栅突触晶体管(Electrolyte-gated synaptic transistors, EGSTs)以其沟道电导的可控性成为下一代神经形态器件被广泛研究的对象, 并用来模拟神经突触功能。EGSTs因双电层的快速自放电效应, 导致其存在长程塑性持续时间较短和沟道电导不易调控等问题。本研究采用水诱导的In₂O₃薄膜作为沟道材料, 以壳聚糖作为栅电解质材料, 制备了基于In₂O₃的EGSTs, 并对器件沟道层进行了氧等离子体处理。研究发现, 利用氧等离子体中的活性氧自由基在沟道层表面产生陷阱态, 使更多氢离子在电解质/沟道界面处被俘获, 器件性能表现为回滞窗口增大, 对EGSTs器件的长程塑性实现调控。基于双电层的静电耦合效应和电化学掺杂效应, 本研究利用EGSTs器件模拟了神经突触的兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、短程塑性(STP)和长程塑性(LTP)等突触行为。同时, 基于该器件的EGSTs增强/抑制特性, 采用三层人工神经网络进行手写数字识别, 经过仿真训练后, 发现该器件可训练出较高的识别率(94.7%)。这些研究结果揭示: 表面等离子体处理是影响器件性能的一项关键技术, 并证明了该技术对调节EGSTs神经形态器件的突触功能具有较大的应用潜力。

研制具有生物神经元信息功能的柔性电子器件对于发展智能穿戴技术具有重要意义。传统阈值型忆阻器可模仿神经元信息整合功能, 但因缺乏本征柔韧性, 难以满足应用需求。本工作制备了一种基于本征可拉伸阈值型忆阻器的柔性人工神经元, 它由银纳米线-聚氨酯复合介质薄膜和液态金属电极构成。在外加电压下, 器件呈现良好的阈值电阻转变特性, 这归因于银纳米线间形成非连续银导电细丝的动态通断。该器件可模仿生物神经元的信息整合-发放及脉冲强度和脉冲间隔调制的尖峰放电功能。在20%拉伸应变下, 器件工作参数基本保持稳定, 性能未发生明显退化。本工作为发展可拉伸柔性人工神经元及下一代智能穿戴设备提供重要材料和技术参考。

模仿大脑感知信息处理方式对于仿生智能感知系统的设计具有重要意义, 而采用具有生物相容性和生物可降解特性的功能材料构建环境友好型神经形态器件是突触电子学研究的重要内容。本研究采用明胶/羧化壳聚糖(GEL/C-CS)复合电解质薄膜作为栅介质制作氧化物神经形态晶体管, 模仿了不同湿度下的突触响应行为, 包括兴奋性突触后电流和双脉冲易化。基于不同刺激数量下的突触塑性行为, 提出了一种触觉对物体识别程度的量化处理方式。进一步搭建人工神经网络, 实现了对MNIST手写数字的识别, 识别精度达90%以上。这种GEL/C-CS栅控神经形态器件对仿生智能感知和脑启发神经形态系统的设计具有一定的参考价值。

多级痛觉感知对于生物避免外界伤害刺激具有十分重要的意义。本工作以海藻酸钠生物聚合物作为离子耦合栅介质, 成功制备了5×5无结痛觉感知晶体管阵列。该器件能够在低电压下(2 V)正常工作, 且具有较大的电流开关比(>10⁴)以及开态电流(>10 μA)。这种器件不仅能模拟突触的重要功能, 如兴奋性突触后电流、双脉冲易化、动态滤波等, 而且还成功模拟了痛觉神经网络的多级空间感知敏化特性。构建该网络系统为下一代神经形态类脑系统应用提供了新的途径。

模拟型阻变突触特性能够为神经形态计算提供高的计算精度并避免计算过程中带来的电导卡滞、跃变以及失效等问题。模拟生物突触在刺激脉冲下的行为, 能够更好地揭示电子器件的仿生特性机理并为高性能神经形态计算提供支撑。突触双脉冲易化是生物突触的重要特性, 反映了在外界刺激作用下的易化和适应性过程, 对揭示神经元的工作机制至关重要。为了构建突触双脉冲易化的模拟型忆阻器件, 本研究通过器件的能带结构设计及氧空位缺陷态的调控, 利用射频磁控溅射法制备了一种结构为Ag/FeO_x/ITO的忆阻器。电学测试结果表明, 该器件具有优异的渐进递增的非线性阻变特性, 即模拟型阻变特性。在I-V循环扫描3000次范围内, 这种器件均表现出模拟型阻变特性, 可提供稳定的、可分离的16个电导状态, 且在10⁴ s内维持良好, 说明这些电导状态是非易失性的, 这主要归功于电子在氧空位缺陷态中的捕获与去捕获以及在势垒间隧穿行为。但是, 在低电场强度情况下, 捕获的热电子有可能会跃迁出浅陷阱能级, 而呈现出易失性。根据这种器件的易失性和非易失性共存特性, 通过调制电压脉冲宽度、幅度, 器件能够表现出很好的突触双脉冲易化特性, 显示出该类型器件在神经形态计算中的潜力和优势。

基于铟镓锌氧(IGZO)的双电层(EDL)晶体管以低加工温度、良好的一致性以及丰富的离子动力学等优势, 在神经形态感知和计算系统中具有极大的潜在应用前景。然而, 双电层IGZO晶体管的高漏电(>10 nA)导致的高能耗以及异常电流尖峰/毛刺一直是相关神经形态计算发展的主要障碍之一。本研究提出了一种具有Al₂O₃/壳聚糖(Chitosan)叠层栅介质的新型IGZO神经形态晶体管。与单层壳聚糖栅介质晶体管相比, 引入Al₂O₃叠层的器件具有78.3 mV/decade的低亚阈值摆幅, 在1.8 V电压下1.3 nA的低漏电流(降低约98%), 3.73 V的大滞回窗口(提升3.4倍)以及0.86 nA的低兴奋性突触后电流(降低约97%), 单脉冲(0.5 V, 20 ms)功耗仅为1.7 pJ(降低约96%)。此外, 研究还基于双栅EDL协同调控实现了尖峰突触功能的模拟和沟道电流的有效调制, 并有效规避突触塑性模拟中高漏电导致的非正常电流尖峰/毛刺。上述结果表明, 堆叠高k栅介质可以有效改善神经形态器件的漏电、功耗和性能, 为进一步开发超低功耗神经形态感知和计算系统提供了新的思路。

Gd₂O₂S:Tb闪烁陶瓷以其明亮的绿色发光、高能量转换效率和高中子俘获截面而广泛应用于中子成像和工业无损检测等领域, 但Gd₂O₂S:Tb陶瓷中存在的Gd₂O₃第二相影响其闪烁性能。本工作以H₂SO₄和Gd₂O₃为原料, 采用水浴法合成Gd₂O₂S:Tb前驱体, 研究了H₂SO₄与Gd₂O₃的摩尔比(n)对前驱体和Gd₂O₂S:Tb粉体性能的影响。前驱体的化学组成随n增大而变化：2Gd₂O₃·Gd₂(SO₄)₃·xH₂O(n<2.00)、Gd₂O₃·2Gd₂(SO₄)₃·xH₂O (2.25≤n≤2.75)和Gd₂(SO₄)₃·8H₂O(n=3.00), 经过空气煅烧和氢气还原后, 所有的粉体均形成Gd₂O₂S相。Gd₂O₂S:Tb粉体的形貌与前驱体的相组成密切相关, 随着n增大, Gd₂O₂S:Tb粉体的XEL强度增加呈现出两个阶段, 对应前驱体的相转变阶段。采用真空预烧结合热等静压烧结制备了Gd₂O₂S:Tb陶瓷, 相较于n为2.00、2.25、2.50, 其他n制备的Gd₂O₂S:Tb陶瓷都达到了较高的相对密度和XEL强度, 不同n制备的陶瓷中都存在Gd₂O₃第二相, n增大有利于减少陶瓷内部的第二相, 为进一步消除Gd₂O₂S:Tb陶瓷中的第二相提供了思路。

为了解决常规干燥(控温控湿)过程中坯体出现水分梯度问题, 利用微波干燥法来干燥湿坯。通过对比常规干燥(温度: 40 ℃; 湿度: 60%)和微波干燥的方式, 研究了湿坯的重量损失、线性收缩、表面温度和水分分布。与常规干燥相比, 采用微波干燥(功率250 W)时, 干燥结束时间和停止收缩时间分别缩短至1/6.8和1/6。在微波干燥过程中, 样品表面温度随时间延长先升高后降低, 与体内水分密切相关。而在常规干燥过程中, 温度保持恒定在40 ℃。采用低场核磁共振（NMR）成像技术表征湿坯内部的水分分布情况发现: 在微波干燥过程中, 水分分布更均匀, 表明微波干燥时湿坯的干燥应力更低。在1550 ℃下烧结6 h后, 微波干燥制备得到的氧化铝陶瓷具有更高的抗弯强度, 且标准差更小。

采用共沉淀水热法制备了CoFe₂O₄@Zeolite (CFZ), 并将其用于活化过一硫酸盐(PMS)降解合成染料。综合表征表明, 组成多孔壳层的CoFe₂O₄纳米颗粒均匀地覆盖在Na-A沸石上。CFZ的比表面积为107.06 m²/g, 是原始沸石比表面积的3倍。CFZ的饱和磁化强度为29.0 A·m²·kg^-1, 可以进行有效磁分离。催化降解实验表明, CFZ/PMS体系对甲基橙(MO)的去除率远远高于单独使用CFZ或PMS。在最佳条件([MO]=50 mg/L、[PMS]=1.0 mmol/L、0.2 g/L CFZ、pH 8和T=25 ℃)下, MO去除率可达到97.1%。实验研究了pH、PMS用量、CFZ用量、MO浓度以及共存阴离子等因素对CFZ催化性能的影响。活性氧粒子淬灭实验表明, ¹O₂和O₂^•-在降解过程中起主导作用。CFZ具有良好的回收性能, 5次循环后MO去除效率仅下降2.4%。本文还详细讨论了CFZ/PMS体系的催化降解机理。