[发明专利]一种利用光和质子耦合作用模拟神经突触功能的方法

说明书

本发明公开了一种利用光和质子耦合作用在质子导体器件中模拟神经突触功能的方法，所述质子导体器件由自下而上依次设置的衬底、质子导体薄膜和电极阵列组成，所述方法为用光照射已经施加有电信号的两个电极之间的质子导体薄膜，利用所述两个电极测量所述质子导体薄膜在光照下产生的光电响应信号。本发明将质子导体薄膜作为人工突触器件的功能层，并引入光照以诱导产生光与质子的耦合作用，以质子迁移产生的电流作为器件的输出信号，从而实现两种或多种突触可塑性之间的耦合，并且显著降低器件运行时的功率。

技术领域

本发明涉及模拟突触技术领域，具体涉及一种利用光和质子耦合作用 模拟神经突触功能的方法。

背景技术

人工智能(artificial intelligence，AI)技术近几年发展十分迅速，并 且为诸多领域的进步提供了巨大的支持。目前绝大多数人工智能产品的开 发都是基于传统的冯·诺依曼架构的人工神经网络(artificial neural networks，ANNs)。人脑的信息处理方式极为高效，人工神经网络正是以 集成电路的方式来模拟这种处理方式。然而，冯·诺依曼架构在构建深度 神经网络时，由于其数据处理和存储单元在物理上是分离的，因此数据传 输过程将不可避免地消耗大量的能量和时间，为此人们提出了神经形态计 算的概念来模拟人类大脑处理信息的过程。与大脑工作的生物学机制类似， 人工突触和人工神经元是神经形态计算系统的关键部件，如学习和记忆等 高级认知功能可以通过调节连接两个相邻神经元的突触权重来实现。突触 权重的变化称之为突触可塑性，突触可塑性主要有两种类型：短程突触可 塑性(STP)和长程突触可塑性(LTP)。STP通常是一种持续时间为毫秒到分钟级别的突触权重变化的过程，主要在动态调节神经信息处理和短程 记忆时产生。STP主要有两种形式，即短程易化(STF)和短程抑制(STD)。 对于STF/STD，突触在重复动作电位上的行为表现为单个突触后电流 (post-synaptic currents，PSCs)幅值的增加/减少。目前用于实现突触可塑 性模拟的人工突触器件主要包括晶体管和忆阻器，通过对器件输入电学、 光学等信号来调控器件的输出特性，从而可以实现突触可塑性的模拟。光 信号相比于电信号具有带宽高，防串扰能力强，方便调制，传输快等优点， 作为人工突触器件的输入信号时具有天然的优势。在人工突触器件的功能 层材料选择方面，氧化石墨烯作为石墨烯的一种衍生物，因其电学、光学 等性能丰富可调而在电子器件领域得到了广泛的关注和应用。氧化石墨烯 片层内部和边缘存在大量的含氧官能团，这些官能团的种类、数量可以通 过多种途径进行调控，例如：进行不同程度的化学氧化还原处理、热处理、 光辐照处理等等。氧化石墨烯丰富可调的电学、光学等特性，即是通过这 些含氧官能团来实现的。

公开号为CN 109460819 A的专利说明书公开了一种模拟生物体光突 触的方法及器件，起感光作用的功能层为半导体光敏材料，后突触层为单 层石墨烯。其突触特性来自于光信号导致半导体光敏材料中产生大量的光 生电子-空穴对，改变后突触层的载流子浓度进而改变突触后电流。其功 率的量级为若干微瓦量级(1～10×10^-6W)。

DOI号10.1016/j.carbon.2019.07.007的论文报道了一种以氧化石墨烯 为功能层，ITO(氧化铟锡)或者Ag(银)做电极的光电调制忆阻器。该 器件的光响应电流来自于光激发电子至氧化石墨烯的导带中，并且在紫外 光下的照射下氧化石墨烯发生了不可逆的还原从而使器件的阻态降低。其 功率的量级为若干微瓦量级(1～10×10^-6W)。

DOI号10.1002/adma.201505898的论文报道了以氧化石墨烯作为栅介 质层和IZO作为沟道层的突触晶体管器件，其工作机理为，当栅电压施加 于氧化石墨烯上时质子在氧化石墨烯和IZO界面发生积累，进而通过双电 层电容的作用在沟道层中诱导出电子电流，突触行为来自于对电子电流的 调控。光信号作用于光电探测器，探测器输出电信号，以此电信号来间接 调制突触功能。其功率的量级为几十微瓦量级(10～100×10^-6W)。