清华新闻网11月12日电 11月4日，清华大学微电子所任天令教授课题组在纳米领域权威期刊《纳米快报》（NanoLetters）上在线发表了题为《可塑性可调的石墨烯动态突触》（“Graphene Dynamic Synapse with Modulatable Plasticity”）的研究论文，首次实现了基于二维材料的类突触器件，该工作利用了石墨烯独特的双极型输运特性，通过改变背栅电压来调控石墨烯的滞回曲线，从而首次实现了类突触器件的可塑性可调。微电子所博士毕业生田禾与硕士生米文天是文章的共同第一作者，任天令教授是论文的通讯作者。
图 1在神经系统中，突触可塑性的表达强度是可变可调控的，这种动态的可塑性与生物体的复杂行为息息相关。通过改变背栅栅压，石墨烯类突触晶体管的电学特性也可以被调制，从而表现出不同类型、不同表达强度的突触可塑性。
近年来，随着特征尺寸的不断缩小，各种物理和技术上的制约使得微电子器件的发展遇到了瓶颈。类脑计算概念的提出，为微电子芯片的彻底革新提供了崭新的途径。人脑中有数以亿计的神经元，不同的神经元之间又由突触所连接，在这张庞大的神经网络中，突触扮演着最为基础和重要的角色，突触强度的可塑性是实现记忆和学习的基础。作为类脑芯片的基础，类突触器件近年来逐渐成为人们研究的焦点。生物体突触的可塑性是变化的，然而以往的类突触器件的可塑性均是静态、不可调的，这极大制约了类脑系统更高程度智能的实现。
任天令教授课题组创新性的采用双层旋转石墨烯，结合氧化铝作为离子传输层实现了类突触器件，同时通过背栅作为神经调节器，来控制突触后输出电流信号的强度。在负的背栅电压下，可实现兴奋型的类突触行为，在正的背栅电压下，能够将突触行为调制成抑制型，并且还能够模拟突触发育的全过程。这项工作首次实现了类突触器件的可塑性可调，为类脑芯片模仿人脑神经网络更高程度的智能提供了可能，在相关领域具有深远的意义，美国化学学会将会以《类人脑突触让电子系统更加智能》“Imitating synapses of the human brain could lead to smarter electronics”为题在其周报上（Weekly PressPac）发文亮点报道这项工作。
图 2石墨烯类突触器件的结构和测试结果，通过背栅电压的调制可调制类突触器件的可塑性。
近年来，任天令教授致力于石墨烯等二维电子器件的研究，尤其关注突破传统器件限制的新型器件，为新一代微纳电子器件技术奠定基础，在新型石墨烯基发光器件、存储器件和声学器件等方面已获得了多项创新成果，如光谱可调的石墨烯发光器件，以及存储窗口可调的石墨烯阻变存储器等。该研究成果得到了国家自然基金重点项目支持。
论文链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5b03283
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