「材料科学」用氧化物定制人脑之梦( 三 )
好吧 ， 我们似乎走在康庄大道上 。 一方面 ， 这让我们坚信 ， 人脑也不过如此；另一方面 ， 这也让我们坚信 ， 那些非易失、能耗低的高性能人工突触器件将是类脑芯片研究的基础和关键 。
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图3. 生物突触间的离子迁移是信息传递的关键 (左) 。 通过注入/脱出功能离子工作的电解质突触晶体管与生物突触相似 (右) [2] 。
02
电解质晶体管
那么 ， 怎么才能做出所谓的高性能人工突触器件呢？
经过多年辗转反侧 ， 现在已经明了 ， 最简单的器件应该首推电解质晶体管 。 它的几何结构大概与晶体管三端器件类似 ， 工作原理则立足于利用电解质栅极层的功能离子 (H+、Li+、Na+、O2- 等) 在外场下迁移 ， 来调控沟道电导 。 这里 ， 电导的变化是功能实现的基本指标 ， 虽然我们未必能很确定生物神经是不是就唯一地依赖通道电导的变化 。 尽管如此 ， 可以看到 ， 与基于阻变存储器 (RRAM)、相变存储器 (PCRAM)、磁存储器 (MRAM)、铁电存储器 (FeRAM) 等类型的类晶体管器件相比 ， 电解质晶体管的工作方式与生物突触最为相似 (如图 4 所示) ， 是突触仿生器件研究的天然选择 [2, 3] 。
从结构上看 ， 电解质晶体管的栅极对应突触前膜、沟道对应突触后膜、沟道电导对应着突触权重 。 在外加电场作用下 ， 功能离子界面上的迁移可对应于生物突触动作电位增强响应释放神经递质的过程 。 在突触功能模拟方面 ， 电解质栅极晶体管有独特的优势：可以同时接受和读取外界信号 ， 能够从多个栅极一起获取信号 ， 从而实现动态时空效应的测量 。 这些特点是两端器件不能全部达到的 ， 主要原因在于此类三端器件中信号写入和读取是分开的、理论上能够实现超低能耗和高度集成化 。
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图4. 电解质调控 WO3 输运行为机制示意图：当门电压小于水的分解电位时 ， 离子液体调控主要是静电场效应起作用 ， 撤掉门电压 WO3 沟道电导立刻恢复 。 当门电压大于水的分解电位时 ， 离子液体调控主要是电化学效应起作用 ， 伴随着 H+ 插入 WO3 薄膜中 A 位空隙 ， 撤掉门电压 WO3 沟道电导仍然能够保持 [10] 。
事实上 ， 由过渡金属元素构成的功能氧化物 ， 其物理化学性质多种多样 ， 展现出从绝缘到超导等丰富的电子态 ， 包含铁电性、磁性、催化活性等丰厚功能 ， 极具张力 。 长期以来 ， 材料科学都将过渡金属氧化物作为一大类主要研究对象 ， 而物理人一直希望能够通过场效应调节这类材料在多种相之间可控转换 。 自从人工智能材料和神经网络模拟之风兴起 ， 功能氧化物材料走向人工智能和类脑研究领域 ， 已是大势所趋 。
但是 ， 传统的栅极介质可以实现的载流子浓度调控幅度 ， 比功能氧化物电子相变所需调控幅度低两个数量级 ， 因此传统栅极的作用很难在此类问题上得到彰显 。 此时 ， 调控能力更强的电解质正好可在这一课题上大显身手 。 经过多年探索 ， 物理人逐渐认识到 ， 电解质调控功能氧化物 ， 并不仅仅靠电双层掺杂的高浓度电荷 ， 往往还伴随着电化学效应带来的离子交换 。 这种离子交换过程 ， 对调节功能氧化物、特别是关联电子氧化物电学及磁学性质非常有效 ， 能够用来设计许多新原理功能器件 [4] 。 这方面 ， 东京大学 Iwasa 教授课题组 [5] 和 IBM 研究中心 Parkin 博士课题组 [6] ， 分别通过电解质调控实现了 VO2 薄膜的可逆相变 。 只是他们提出了截然不同的机制解释 ， 前者认为是电双层诱导的高浓度载流子引起相变 ， 而后者认为是电解质/氧化物界面强电场诱发 O2- 迁移导致 。 这两位神仙打架 ， 从一个侧面又反映了电解质调控功能氧化物薄膜的复杂性 。
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