高密度生物电解质栅控突触晶体管（BEGTs）阵列在构建神经形态计算架构方面展现出巨大潜力。然而，由于电解质的体离子导电性和对裂纹的高度敏感性，图案化电解质的制备变得至关重要，这有助于避免器件间的空间串扰并增强阵列器件的柔性。光刻技术，作为微电子制造的核心技术之一，能够制造亚微米级的高密度器件阵列，其高精度和高可靠性使其成为目前实现高密度图案化器件的首选方法。然而，生物电解质材料因其对有机溶剂和紫外光（UV）的敏感性可能导致材料在光刻过程中的退化，这会削弱材料的离子活性，进而影响器件的性能。因此，开发一种稳定且可靠的全光刻技术来制造可扩展的高密度BEGTs阵列，面临着重大挑战。
针对这一挑战，上海大学的张建华、赵婷婷团队提出了一种基于光交联电解质的全光刻BEGTs阵列制造方法。这一创新方法成功制造出了每平方厘米包含11846个器件的高密度多模态BEGTs阵列。该阵列不仅展现了典型的神经形态行为，而且避免了由电解质引起的空间串扰，同时保持了良好的器件柔性。此外，该BEGTs阵列还展示了多模态神经形态计算能力，不仅成功模拟了生物视觉记忆系统以感知和处理图像，还在手写数字分类中表现出较高的准确性，显示出其在构建神经形态计算系统的应用潜力。该项研究为高密度BEGTs阵列的可扩展与稳定制造提供了一种有效策略，推动了人工神经形态系统的进一步发展。该研究以题为“High-Density, Crosstalk-Free, Flexible Electrolyte-Gated Synaptic Transistors Array via All-Photolithography for Multimodal Neuromorphic Computing”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
这项研究针对电解质的图案化制备，开发了一种由壳聚糖季铵盐（HACC）、聚乙烯醇（PVA）和重氮感光剂（DS）组成的可兼容传统光刻工艺的电解质图案化制备方法。DS结构中的重氮基团本身是不稳定的，受到UV光照射时，DS发生光解，产生反应中间体（苯基阳离子）、N₂和氯离子。然后，PVA中的羟基与反应中间体结合形成醚键，并释放H⁺。这一反应导致PVA转化为不溶于水的薄膜。HACC和PVA之间形成的强分子间氢键促进了混合交联。在这个可光刻图案化电解质体系中，PVA的作用是与DS发生化学反应，导致PVA转化为不溶于水的物质。HACC则起到双重作用：它与PVA形成混合交联，更重要的是，它弥补了PVA与DS反应过程中缺失的羟基。这可以增强图案化电解质的电学性能，从而有效形成电双层（EDL），调节电解质突触晶体管的电导。
图1. BEGTs阵列全光刻工艺制备流程
该工艺成功制备了多种形状、尺寸和密度的图案化电解质，展示了图案化工艺的高保真性和可靠性。该方法具有出色的可扩展性，通过设计适当的掩模，可以按需对电解质进行图案化，从而为BEGTs阵列的可扩展批量生产提供了便利。所制备的图案化电解质在电学性能和稳定性方面表现优异。研究者还制备了具有不同密度的BEGTs阵列，从而展示了定制突触晶体管阵列的可能性。同时，通过对比图案化和未图案化的BEGTs阵列的电学特性，进一步证实了图案化电解质在解决器件间空间串扰问题上的能力。
图2. 图案化电解质光学图像以及相关电学性能
图3. BEGTs阵列电学性能以及抗空间串扰能力展示此外，研究团队对一系列典型的神经形态行为进行了模拟，包括兴奋性突触后电流（EPSC）、短期增强（STP）、长期增强（LTP）和双脉冲易化（PPF）。BEGTs阵列制备在聚酰亚胺基底上，并以6毫米的半径弯折200次后，电学性能也未显示明显退化。由于所制备的 BEGTs采用可对UV光响应的IGZO作为半导体层，能够模拟神经形态视觉感知能力，具有超过500秒的光记忆时间，用以模拟人类视觉感知和记忆功能。此外，BEGTs还在手写数字识别任务中展现了良好的准确率，证明其适用于适合神经形态计算应用。图6. 基于BEGTs阵列的图像处理与人工视觉感知应用展示本研究开发的光交联图案化电解质制备技术，不仅有效解决了阵列器件的空间串扰问题，还提升了阵列器件的柔性。该技术为 BEGT 阵列的稳定性与可扩展制造提供了可靠的策略，并为人工神经形态系统的发展提供了重要的技术支持。
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