文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408210
摘要
类脑计算被视为解决冯·诺依曼瓶颈的潜在方案，为下一代计算和传感系统的发展铺平了道路。轴突-多突触系统能够执行复杂任务，使其在未来应用中既受青睐又至关重要。各向异性材料具有不同方向上的差异性功能，已被用来创建人工突触，以模仿生物轴突-多突触系统的功能。然而，受限的材料种类和不可调的导电比限制了其应用范围。本研究展示了通过电子束辐照（EBI）和诱导陷阱位点，可以在各向同性材料上实现各向异性人工突触。利用不同方向的突触构建人工神经网络（ANN），能够完成多种类脑任务并优化性能。局部掺杂方法拓展了轴突-多突触器件家族，展示了在下一代计算和传感系统中的巨大潜力。
研究背景和主要内容
大数据时代，受冯·诺依曼体系结构约束的传统计算系统由于计算单元和存储单元的分离而面临能效挑战。受大脑的启发，神经形态计算为开发先进的智能系统提供了一种有前途且节能的方法。轴突-多突触结构在神经信息处理和神经网络内复杂的大脑功能中起着至关重要的作用，其中每个轴突连接到多个突触。这种结构使神经元能够同时向多个目标神经元或区域传输信息，促进不同神经信号的整合和协调，以实现更高效的处理。 轴突-多突触系统内在异质性引起的连接异质性允许对同一信号做出不同的响应，增加了神经网络的结构复杂性和功能多样性。这种多样性使得通过与大脑中的其他特性（如感知、运动控制和认知过程）的协作能够完成复杂的任务。此外，连接异构性可以优化突触可塑性的性能，提高神经网络对动态外界环境的适应性和学习能力。因此，实现具有连接异构性的人工突触是实现高复杂度神经形态计算、实现复杂脑功能的关键一步。
基于各向异性二维材料的轴突多突触系统的最新发展展现出其在模拟人脑行为方面的巨大潜力。Tian 等人首次在具有紧凑器件结构（BP）的各向异性二维黑磷上实现了轴突多突触网络。Qin 等人进一步说明基于各向异性硒（t-Se）的突触晶体管可以充当低功耗的滤波器。这些工作为构建具有所需连接异质性的轴突多突触系统提供了可行的方法。然而，在先前的研究中，轴突多突触系统的构建主要取决于沟道材料固有的各向异性。不灵活的各向异性比和能带结构限制了它的适用性。此外，相当一部分各向异性二维材料在制备过程中缺乏可扩展性或在大气条件下表现出不稳定性。这些挑战限制了人工各向异性突触的潜在应用。
在这项工作中，我们采用局部电子束辐照 (EBI) 技术在各向同性的 MoS2突触器件中诱导各向异性特性。精确控制的 n 型掺杂是局部 EBI 的结果，它使基于 MoS2的晶体管在不同方向上对相同刺激的响应表现出各种光电特性。通过这种方法，我们可以通过调节 EBI 强度来精确调整各向异性突触行为。我们进一步研究了基于 MoS2的多端突触晶体管中的连接异质性，以实现轴突多突触系统。通过利用我们人造各向异性突触中的突触可塑性，我们成功地通过使用人工神经网络 (ANN) 执行了图像识别和彩色数字识别任务。具有不同方向的轴突多突触系统经过微调，以最大限度地提高各自任务的识别速度和速率。我们的研究结果为轴突多突触系统的设计和制造提供了一种通用方法。
图1 UVO处理后MoS2基晶体管的记忆特性和突触行为。a) MoS2基晶体管结构示意图。b) Vds为0.5 V时不同Vgs-max （ Vgs扫描范围的最大值）的MoS2基晶体管的传输特性。c) 不同波长照射下漏极电流的不同响应。d) 生物突触和MoS2基人工突触装置示意图。V ds设定为0.1 V。e ) 在不同幅度为−10、−20、−30和−40 V的负脉冲下产生的EPSC。f) 在不同幅度为10、20、30和40 V的正脉冲下产生的IPSC。g) 连续负脉冲和正脉冲下可重复的增强和抑制过程。h) 增强和抑制过程的拟合非线性系数。 i)光和电信号下PSC的变化。漏极施加0.1V的读取脉冲，时间间隔为3秒。
图2 局部EBI处理的MoS2基晶体管的各向异性行为及机制。a)电子束处理器件过程示意图。b)在Vds为0.5 V时，以不同面积剂量对整个通道进行EBI处理后，原始MoS2基晶体管的传输特性。c )局部EBI后MoS2纳米薄片的PL峰中心映射图像。d)局部电子束辐照的各向异性多端突触器件示意图。突触1和突触2分别以沿方向1和方向2的器件表示。比例尺为10 µm。通道长度和宽度分别为6和3 µm。e) V ds为0.5 V时突触1和2的传输特性。f)示意图说明电子束辐照引起的n型掺杂。 g） EBI前后MoS2晶体管的能带图。
