登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《宁波材料所在氧化物类脑神经形态器件研究方面取得进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2018-04-19

  • 人脑中有约个神经元和约个突触连接，突触结构是神经元间发生信息传递的关键部位，是人脑认知行为的基本单元，因此研制人造突触器件对于神经形态工程而言具有重要意义。近年来，类脑神经形态器件正在成为人工智能和神经形态领域的一个重要分支，将为今后人工智能的发展注入新的活力。目前，国际上报道的人造突触器件主要为两端阻变器件和三端晶体管器件。离子液和离子凝胶电解质具有独特的离子界面耦合特性及相关的界面电化学过程，其在神经形态器件和系统方面有着极强的应用前景。

    　　中国科学院宁波材料所功能材料界面物理与器件应用团队在前期工作中，制备了具有室温质子导电特性的固态离子液电解质薄膜，并采用这类电解质作为栅介质制作了具有低工作电压的氧化物双电层薄膜晶体管（<1.5V)，相关工作发表于IEEE Electron Dev.Letters，36(2015)799/38(2017)322等。这类室温质子导体还具有极强的侧向离子耦合特性，基于这一特性，设计了具有侧向耦合结构的氧化物双电层薄膜晶体管，克服了传统氧化物薄膜晶体管通常需要采用顶栅或底栅结构的限制，相关工作发表于Appl.Phys.Lett., 105(2014)243508, ACS Appl.Mater. Interfaces.,7(2015)6205等。基于器件的界面质子耦合特性，这类器件在类脑神经形态器件方面有着一定的应用价值，可以实现短时程突触塑性行为、双脉冲异化行为、时空信息整合和超线性/亚线性整合行为等，相关工作发表于Nat.Commu., 5(2014)3158, Appl.Phys.Lett., 107(2015)143502, ACS Appl.Mater.Inter., 8(2016)21770/9(2017)37064等。

    　　最近，该团队及其合作者设计了氧化物神经形态晶体管，实现了对霍奇金-赫胥黎（Hodgkin-Huxley）膜电位行为的模仿。他们首先制备了多孔磷硅玻璃纳米颗粒膜，呈现了室温质子导电特性和双电层耦合行为，薄膜具有不同于传统热氧化SiO2栅介质的充放电行为。三明治结构（MIM）电容经过电流充电后，其电势呈现了短时程塑性行为和非易失性行为（长时程塑性行为）。生物突触通常由突触前膜、突触间隙、突触后膜组成，在膜生物物理中，生物突触膜通常可以采用霍奇金-赫胥黎（Hodgkin-Huxley）膜电位模型加以说明，脂质膜被等价为一个电容CLipid，脂质膜上存在一些离子通道，可以将离子泵和离子通道分别看成电源（En）和电阻（Gn）。而对于离子导体电解质，通常可以简化为电容（C）和电阻（R）的组合电路。因此，氧化物双电层薄膜晶体管与霍奇金-赫胥黎（Hodgkin-Huxley）膜电位模型存在相似之处。他们设计了具有双栅结构的氧化物双电层薄膜晶体管，器件的等效电路图与Hodgkin-Huxley等效电路类似。通过电脉冲刺激，在器件上测试了膜电位响应，包括静息电位、兴奋性/抑制性突触膜电位等。相关研究成果以“Hodgkin–Huxley Artificial Synaptic Membrane Based on Protonic/Electronic Hybrid Neuromorphic Transistors”为题，发表于Advanced Biosystems 2(2018)1700198上（论文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adbi.201700198）。

    　　该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会、浙江省相关人才计划、宁波市科技创新团队等项目的资助。

  • 原文来源：http://www.nimte.ac.cn/news/progress/201804/t20180419_4999122.html
140浏览量
原文链接
相关报告

  • 《宁波材料所在柔性氧化物神经形态晶体管研究方面取得进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-11-30
    • “人工智能（AI）”是在上世纪50年代提出的，经历了缓慢的发展时期。然而，自2016年“AlphaGo”问世以来，目前AI已经成为了全球的研究热点之一，备受关注。值得注意的是，现有的AI技术主要基于传统冯·诺依曼架构，需要采用较为复杂的计算机代码才能实现，其计算模块与存储模块相分离，因此其并行运算能力有限，且能耗较高，对今后非结构化大数据的处理和计算而言，具有一定的局限性。同时，近年来，基于器件层面构建人工生物神经系统，也正在成为AI领域的一个重要分支。突触作为人脑认知行为的基本单元，是神经元间发生联系的关键部位，是构建人工神经网络的重要出发点。在突触仿生电子学方面，目前的研究主要包括两端阻变器件和三端晶体管，这类器件已经模仿了一些从简单到复杂的各种突触功能和神经元功能，有着潜在的应用前景。 　　近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能材料界面物理与器件应用团队在柔性神经形态器件研究方面取得了新的进展，其在未来柔性神经形态平台构筑上有着潜在的应用。他们在柔性PET衬底上制备了以壳聚糖薄膜作为栅介质的、具有学习行为的ITO突触晶体管，其在机械弯曲应力作用1000次后，器件各项性能参数保持稳定；在栅极偏压应力作用8000秒后，发现器件阈值电压呈现一定的漂移，说明研制的晶体管具备学习能力。随后，在研制的柔性ITO薄膜晶体管上模拟了三种突触功能：突触后兴奋电流（EPSC）、双脉冲易化（PPF）和尖峰时序依赖可塑性（STDP）。1968年，Atkinson和Shiffrin从心理学层面提出了“人脑多重记忆模型”：感知记忆（SM）到短时程记忆（STM）以及短程记忆到长时程记忆（LTM）的转化过程。该团队通过栅脉冲刺激频率和栅脉冲刺激强度的设计，在单一突触晶体管上实现了对“人脑多重记忆模型”的模仿。上述成果发表于ACS Applied Materials Interfaces, 2018, 10 (19), 16881-16886上（论文链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b03274）。 　　生理学上著名的“巴普洛夫狗条件反射”（即经典条件反射实验）是一类重要的联想学习行为，其反映了条件刺激和非条件刺激先后关系对神经元活性的影响行为，在单一器件上实现对这一联想学习行为的模仿是类脑神经形态器件的重要研究内容。值得指出的是，STDP学习法则是重要的突触学习行为，对神经系统认知行为具有重要作用，反映了前、后突触刺激对突触权重的影响规律，是调节高级神经活动的重要突触学习机制。可以看出，条件反射与STDP学习法则具有一定的相似性，受此启发，该团队研制了可重复粘贴的氧化物神经形态晶体管，采用透明聚酰亚胺（PI）胶带作为衬底，随后设计了不同波形的突触刺激，成功在单一器件上模仿了生物突触中的四类STDP学习行为，包括Hebbian STDP，反Hebbian STDP，对称STDP及视觉STDP。Hebbian STDP的测试曲线拟合参数与生物突触上实测的参数相近，表明该种神经形态晶体管具有类脑操作特性。基于STDP学习法则，无需外加复杂电路和元器件，即可在单一神经形态晶体管上实现对经典条件反射行为的模仿，包括信息的获取、消退和恢复。此外，还成功模拟了经典条件反射里的条件抑制行为，这也是神经形态器件研究中的首次报导。该成果以“Restickable Oxide Neuromorphic Transistors with Spike-Timing-Dependent-Plasticity and Pavlovian Associative Learning Activities”为题，发表于Advanced Functional Materials 2018, 28 (44) 1804025, (论文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201804025)
    113浏览量
    原文链接

  • 《山西煤化所在储能炭材料与器件方面取得系列进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-04-14
    • 近年来，在储能炭材料与器件研发方面，陈成猛研究员带领中国科学院山西煤化所709组取得了系列进展。团队解决了储能炭制备与应用中一系列科学难题，通过产学研用协同创新，突破石墨烯、电容炭和球形石墨等储能炭材料规模化生产核心技术，设计组装了超级电容器、锂离子电池和锂硫电池等储能器件，形成电动汽车、道钉灯和无人机等应用示范。通过打造“料-材-器-用”创新链，建立标准体系，促进了我国储能炭材料从“做好”向“用好”的跨越，为相关产业高质量发展贡献了力量。 　　从生物质和高分子等有机前驱体向无机炭材料转化的结构演变机制，及材料微观结构与电化学性能间的构效关系，是储能炭可控制备与定向应用的共性关键科学问题。团队阐释了淀粉分子交联过程中主/侧链竞争反应及碳碳键断裂和键合机制，为生物质向电容炭的可控转化提供了科学依据（ACS Sustainable Chem. Eng., 2019, 7, 14796-14804）；研究了生物质和酚醛树脂基电容炭或硬炭在热还原时含氧官能团的演变路径，并与其超级电容器和锂离子电池等性能建立关联，为储能炭材料表面结构优化指明了方向（J. Energy Chem., 2020, JECHEM1233; Electrochim. Acta, 2020, 337, 135736-11; J. Energy Chem., 2018, 27, 439-446）；阐释了磷酸活化对多孔炭表面磷掺杂的化学机制，并发现了其对电化学界面的稳定效应，为高电压电容炭的表面结构设计提供了新思路（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 11421-11430; Electrochim. Acta, 2019, 318, 151-160; Electrochim. Acta, 2018, 266, 420-430.）。团队还就生物质基电容炭和酚醛树脂基碳气凝胶领域国内外科研进展和发展趋势进行了综述（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 16028-16045; Micropor. Mesopor. Mater., 2019, 279, 293-315.）。 　　在认知科学原理的基础上，突破储能炭材料产业化成套技术，是解决关键材料“卡脖子”问题的核心任务。陈成猛研究员带领年轻的科研团队，与晋能集团、美锦集团和山西三维等企业合作，先后攻克吨级氧化还原石墨烯、十吨级生物质基电容炭和吨级煤基球形石墨中试技术，打通全套工艺流程，研制配套关键装备，实现了相关材料从“样品”向“产品”的跨越。团队石墨烯中试制备技术通过山西科技成果鉴定，达到国际先进水平，产品已推广应用于中电科18所、航天科技42所、中国航发北京航材院等国内外100余家企业和研究机构。电容炭中试产品已顺利通过宁波中车、锦州凯美和上海奥威等国内电容器领军企业的应用评测，技术指标超越日本可乐丽YP-50F产品。近期，团队已与美锦能源合作启动年产500吨电容炭产业化一期工程，预计2021年产出批量化合格产品，届时将实现中国超级电容器产业关键材料的进口替代。 　　“料要成材，材要成器，器要可用”，是解决材料稳定化生产及应用匹配性等问题的有效策略。为服务储能炭材料精准高效研发，709组建成了国际先进的电化学储能器件组装与评测平台。依托自主炭材料，设计组装了超级电容器、锂离子电池和锂硫电池等先进储能器件，并形成道钉灯、电动汽车、无人机等应用示范。通过整合上下游资源，实现了从“单元配套”向“系统集成”的过渡，在反馈指导材料工艺优化的同时，实现了储能行业需求的精准对接。目前，团队已与宁波中车、宁德时代、沙特基础工业公司、厦门大学、中国科学院空天信息院和大连化物所等单位建立密切合作关系，正为军民领域部分型号开发储能解决方案。 　　团队在储能炭材料和器件方面形成了完善的知识产权布局，目前已申请PCT专利3项，国家发明专利45项、实用新型专利5项，其中已授权19项。团队积极推进标准化工作，共主持制订4项国际标准（IEC/TS 62607-6-13；IEC/TS 62607-6-20；2 项PWI项目）、国家标准2项（20160467-T-491；20100983-T-49），提升了煤化所在相关领域的话语权。团队还获得山西省自然科学一等奖、中国产学研合作创新成果一等奖、中国化工学会技术发明二等奖等荣誉。 　　习近平总书记指出，广大科技工作者要把论文写在祖国的大地上，把科技成果应用在实现现代化的伟大事业中。709团队将继续通过应用基础研究、高技术攻关和系统集成示范，致力于实现国产储能炭材料“说得清、做得好、用得上”的总体目标，为山西省争做能源革命排头兵行动助力，为推动中国储能产业高质量发展而奋斗。 　　上述工作获NSFC相关人才计划、面上项目及青年基金、中国科学院STS重点项目、山西省科技重大专项、太原科技局重大项目及国内外企业横向课题等10余个项目的联合资助。
    249浏览量
    原文链接