基于拓扑相转换的电解质突触晶体管

　　随着人类社会数据量的急剧增加以及数据类型复杂程度的提高，类似于人脑的神经网络型信息处理模式效率将会明显优于传统架构计算机。开发符合神经形态计算特性的电子器件进而构建大规模人工神经网络，成为未来信息科技发展的一个重要方向。功能氧化物材料物理性质对外来离子十分敏感，通过电解质调控的方法在界面处进行离子交换可以有效地控制其电导性质的变化，逐渐成为神经形态器件设计研究中很有潜力的方案。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室葛琛副研究员等人，通过离子液体调控拓扑转换材料（SrFeO_2.5？SrFeO₃）O^2-的交换设计了高性能突触晶体管（图1），并借助北京同步辐射光电子能谱线站表征揭示该过程的物理机理，相关的研究成果发表在《先进材料》上（Advanced Materials 31, 1900379 (2019)）。

　　　　图1基于拓扑相转换材料的突触晶体管示意图。 

　　该研究团队通过激光分子束外延技术制备出高质量SrFeO_2.5薄膜，并利用离子液体调控O2-离子的插入和析出，在SrFeO_2.5中通过电场实现其钙铁石相与钙钛矿相的拓扑转换。在相转换过程中伴随着晶体结构、电导态及光学吸收特性的巨大变化，且相变后的结构、性能可以长久保持（一年内未有变化）。相比现在主要研究的基于H+注入的突触晶体管保持特性（分钟-小时量级）而言，这类拓扑转换材料的保持特性非常优异。 

　　为了测试电子结构的变化，在北京同步辐射装置4B9B-光电子能谱实验站进行了软X射线吸收谱（XAS）的测试，对比原始钙铁石结构SrFeO_2.5薄膜和门电压调节后的钙钛矿结构SrFeO_3.0薄膜中Fe-L边的吸收谱, 发现其中Fe的L吸收边显示出向更高能量的氧化峰方向移动（图2）。一般而言，谱中能量越高的位置表明金属的价态越高，说明Fe在薄膜材料中的价态变化。与此同时探测了原始钙铁石结构SrFeO_2.5薄膜和门电压调节后的钙钛矿结构SrFeO_3.0薄膜中O 的K吸收边， 通过负电压门控调节可以使薄膜中氧含量得以增加，所以O-K边吸收光谱中产生了一个边前峰，而原始BM-SFO结构中O-K边吸收谱的边前峰被抑制（图2）。以上结果证实了门电压调控前后铁酸锶薄膜中Fe的价态和氧含量发生了改变，反映其电子结构的改变，这对该过程物理机制的理解至关重要。

　　　　图2电解质调控前后Fe-L和O-K的XAS对比图。 

　　基于此拓扑相转换材料的电解质调控特性，我们将SrFeO_2.5薄膜制备成电解质晶体管，以SrFeOx薄膜作为沟道材料，在离子液体/氧化物界面强电场作用下，通过向沟道插入和析出O^2-离子实现了多个稳定电导态的可逆变化。该器件电导非常低（~5 nS），为低功耗大规模神经网络构建提供了很好的器件基础。进一步，我们实现了人工突触器件的重要功能，包括突触权重增强和减弱、突触的短长时记忆可塑性以及前后突触的时间可塑性。此外，我们利用反向传播算法神经网络模拟器，构建了基于此铁氧体突触晶体管的三层人工神经网络，实现对标准手写数字库（MNIST）的高精度识别。该工作首次提出的基于拓扑相转换材料的突触晶体管综合性能优异，为新型高性能神经突触器件的研究提供了新思路。