具有短程抑制特性的超低功耗全碳質(zhì)子突觸器件

徐慧文，竺臻楠，胡令祥，李 俊，俞家歡，盧煥明，張 莉，王敬蕊，諸葛飛,3

(1.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料科學(xué)與光電研究中心，北京 100049； 3.中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心，上海 200031)

1 前 言

近幾年，人工智能技術(shù)(artificial intelligence，AI)正在重塑人類生活方式并得到迅速發(fā)展。目前的AI產(chǎn)品主要是基于傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)的深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural networks，ANNs)，單個(gè)ANN即是一個(gè)類腦信息處理的范式。然而，在馮·諾依曼架構(gòu)中處理器和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸面臨著高能耗和低效問(wèn)題。人腦能夠?qū)⑿畔⒋鎯?chǔ)與處理合二為一，在進(jìn)行大規(guī)模并行運(yùn)算和深度學(xué)習(xí)時(shí)，極大程度地降低功耗，因而發(fā)展具有神經(jīng)形態(tài)的類腦智能器件是實(shí)現(xiàn)人工智能的一種頗具潛力的方案[3-5]。人工突觸和神經(jīng)元是搭建神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的重要基石，學(xué)習(xí)和記憶等認(rèn)知功能可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)相鄰神經(jīng)元的連接強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種連接強(qiáng)度稱謂突觸權(quán)重，而突觸權(quán)重的變化稱謂突觸可塑性。突觸可塑性主要分為兩種，即短程可塑性(short-term plasticity，STP)和長(zhǎng)程可塑性(long-term plasticity，LTP)。LTP中突觸權(quán)重可以維持?jǐn)?shù)小時(shí)甚至數(shù)天之久，是學(xué)習(xí)和長(zhǎng)久記憶的主要機(jī)制；而STP通常是一種持續(xù)時(shí)間為毫秒到分鐘級(jí)別的突觸權(quán)重變化過(guò)程，主要在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)神經(jīng)信息處理和短程記憶時(shí)產(chǎn)生[6]。STP主要存在兩種形式，即短程易化(short-term facilitation, STF)和短程抑制(short-term depression，STD)。對(duì)于STF/STD，突觸在重復(fù)動(dòng)作電位上的行為表現(xiàn)為單個(gè)突觸后電流(post-synaptic currents，PSCs)幅值的增加或減少[7]。

在人工突觸器件的研究中，基于憶阻器[8-28]、晶體管[29-38]的STF特性已得到了廣泛的報(bào)道，其工作電壓可低達(dá)幾毫伏(1～10 mV)[26]，這甚至低于生物突觸的幾十毫伏(10～100 mV)，單個(gè)刺激的能量耗散亦可達(dá)到或低至若干飛焦(1～10×10-15J)[30]。與STF相比，STD的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。目前只有為數(shù)不多的二端或三端器件被發(fā)現(xiàn)具有STD特性[9,15,39-47]。其中，三種含有液相的器件不適合用于構(gòu)建高密度神經(jīng)形態(tài)電路[15,39-40]，而其他器件的工作電壓往往在幾百毫伏到幾十伏[9,41-47]之間，遠(yuǎn)高于生物突觸。此外，目前見(jiàn)諸報(bào)道的單個(gè)刺激下人工突觸器件的功耗多為幾十毫焦(10～100 mJ)到幾十微焦(10～100 μJ)[9,43-47]，遠(yuǎn)高于生物突觸的功耗(1～10 fJ)。單個(gè)器件功耗過(guò)高，在運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生大量的焦耳熱從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也限制了神經(jīng)形態(tài)電路中突觸器件的高密度集成。本研究制備了一種基于石墨烯/氧化石墨烯/石墨烯(G/GO/G)結(jié)構(gòu)的兩端質(zhì)子導(dǎo)電器件以模擬STD突觸特性，此突觸器件在單個(gè)刺激下的最低功耗僅為幾十阿焦(10～100 aJ)。

2 實(shí) 驗(yàn)

G/GO/G三明治結(jié)構(gòu)器件通過(guò)室溫下的溶液法制備，制備過(guò)程如圖1所示。所用的原料包括高純鱗片石墨(> 99.9 wt%，325目)和氧化石墨烯(graphene oxide，GO)粉末，均購(gòu)買于南京先豐納米材料科技有限公司，GO片層的尺寸和厚度分別為0.5～5 μm和0.8～1.2 nm。GO的平均C/O原子比為71.23/28.77。為獲取均勻的GO分散液，將40 mg的GO粉末加入200 mL的去離子水中并在室溫下超聲處理1 h，隨后在高速離心機(jī)中以4000 r/min處理30 min。GO薄膜的沉積：先將2 mL的GO分散液用去離子水稀釋至100 mL，然后進(jìn)行真空抽濾，使GO片層沉積在混合纖維素濾膜(MCE)上。石墨烯(graphene，G)分散液以液相剝離法制備[48]，先將600 mg的鱗片石墨加入200 mL的水-丙酮混合溶劑中(丙酮75 wt%)，在室溫下超聲處理1 h，隨后在高速離心機(jī)中以1000 r/min處理4 h。G底電極的制備：先將10 mL的G分散液用去離子水稀釋至100 mL，然后通過(guò)MCE進(jìn)行真空抽濾，隨后將G/MCE整體轉(zhuǎn)移至玻片襯底并以丙酮溶解MCE，最終使G層留在襯底上。此步完成后將GO/MCE整體轉(zhuǎn)移至G層上并以丙酮溶解MCE，得到GO中間層。直徑40 μm的分立式G頂電極通過(guò)在抽濾過(guò)程中引入多孔金屬掩模板制備得到。最后，將G頂電極轉(zhuǎn)移至GO中間層上，即得到G/GO/G器件。

圖1 G/GO/G三明治結(jié)構(gòu)器件制備流程示意圖Fig. 1 Schematic of the fabrication process of G/GO/G sandwich structure

GO和G薄膜的厚度和表面形貌分別由橢偏儀(M-2000DI型)和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-4800型)獲得，薄膜的組成和微觀結(jié)構(gòu)通過(guò)X射線衍射(XRD，D8 ADVANCED型)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR，Nicolet6700型)和拉曼光譜儀(inVia-reflex型)獲得。GO薄膜的頻率依賴特征電容通過(guò)Solartron 1260A型阻抗分析儀獲得。G/GO/G的電學(xué)特性通過(guò)Keithley 4200型半導(dǎo)體參數(shù)儀獲得，測(cè)試環(huán)境為室溫，相對(duì)濕度約40%。在電學(xué)測(cè)試過(guò)程中，頂電極處施加偏壓，底電極處接地。

3 結(jié)果與討論

3.1 GO和G薄膜的結(jié)構(gòu)特性

圖2 GO薄膜的(a)SEM圖像；(b)XRD圖譜；(c)FTIR圖譜和(d)拉曼光譜
Fig. 2 (a) Scanning electron microscope (SEM) image, (b) X-ray diffraction (XRD) pattern, (c) Fourier transform infrared (FTIR) spectrum, and (d) Raman spectrumof as-deposited GO films

圖3 G薄膜的(a)SEM圖像；(b)XRD圖譜；(c)石墨烯薄膜的拉曼光譜；(d)石墨粉末的拉曼光譜；(e)～(g)石墨烯薄膜的G峰，D峰，2D峰放大圖；(h)～(j)石墨粉末的G峰，D峰，2D峰放大圖Fig. 3 Detailed analysis of surface morphology and structure of as-deposited graphene thin films. (a) SEM image, (b) XRD pattern., Raman spectra of graphene films (c) and graphite powders (d)., Enlarged G, D and 2D peaks of graphene films (e)-(g) and graphite powders (h)-(j)

3.2 G/GO/G器件的電學(xué)特性

如圖4a所示，G底電極的I-V特性曲線表現(xiàn)明顯的歐姆特性，其面電阻為80～300 kΩ/□，表明G頂電極可以與G底電極形成良好的歐姆接觸[62]。如圖5a所示為對(duì)G/GO/G器件施加0 V→+0.2 V→0 V或0 V→-0.2→0 V的直流掃描電壓，并且改變電壓掃描速率而得到的I-V特性曲線。每次電壓掃描之前GO中的質(zhì)子都被重置為初始平衡態(tài)。另外為了防止頂電極石墨烯在測(cè)試過(guò)程中被損壞，采用相對(duì)較軟的鈹銅(BeCu)探針與其接觸。除特殊說(shuō)明外，電學(xué)性能的測(cè)試均在室溫以及相對(duì)濕度40%的環(huán)境下進(jìn)行。

圖4 I-V特性曲線(a)G底電極；(b)G底電極與頂電極的接觸。插圖為測(cè)試過(guò)程示意圖Fig. 4 I-V characteristics of (a) graphene bottom electrodes, and (b) graphene top electrode/bottom electrode junctions. The insets present schematically the measurement configurations

從圖5a中可以看出，正負(fù)電壓掃描過(guò)程的I-V曲線大致類似，這是器件對(duì)稱性結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。以0 V→+0.2 V→0 V的電壓掃描過(guò)程為例，在每個(gè)掃描速率下I-V曲線有兩個(gè)重要特征：①明顯的遲滯現(xiàn)象，即反向掃描過(guò)程(+0.2 V→0 V)的電流低于正向掃描過(guò)程(0 V→+0.2 V)的電流；②在掃描結(jié)束或接近結(jié)束時(shí)電流為負(fù)值。這兩個(gè)特征來(lái)自GO的質(zhì)子傳導(dǎo)特性。雖然一般認(rèn)為氧化石墨烯是電子絕緣體，但其具有良好的質(zhì)子導(dǎo)電特性[63-64]，水分子可以通過(guò)自解離的方式產(chǎn)生質(zhì)子[65]。在氧化石墨烯的FTIR圖譜(圖2c)中3417 cm-1處的寬峰體現(xiàn)了吸附水分子的O-H振動(dòng)[53]。GO薄膜的質(zhì)子導(dǎo)電特性可以通過(guò)對(duì)G/GO/G器件進(jìn)行濕度依賴電流測(cè)試和頻率依賴特征電容測(cè)試予以證明，結(jié)果如圖5b和圖5c所示。由圖5b可以明顯看出器件電流隨著濕度的增加而增加，這主要是由于在高濕環(huán)境下GO中的質(zhì)子平衡濃度更高[63-65]。圖5c為GO薄膜的頻率(f)依賴特征電容(C)曲線，為方便測(cè)試，制備了Au/GO/Pt結(jié)構(gòu)器件，其中GO薄膜厚度約為850 nm?？梢钥闯鲭娙蓦S著頻率的減小而增加，最大電容約為1 Hz下的10 μF/cm2，此現(xiàn)象來(lái)自GO薄膜中質(zhì)子的遷移和積累導(dǎo)致電極間形成了雙電層電容[66-67]。此外，在對(duì)圖5a中0 V→+0.2 V電壓掃描下的I-V特性曲線以半對(duì)數(shù)圖的形式重繪后，發(fā)現(xiàn)lgI與V在0.05 V～0.2 V電壓范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，即lgI∝V(圖5d)，這也證實(shí)了器件的質(zhì)子導(dǎo)電行為[41]。

根據(jù)以上的分析，對(duì)圖5a中I-V特性曲線的兩個(gè)重要特征可作如下解釋：在器件的頂電極處施加正向偏壓時(shí)，質(zhì)子在外部電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生漂移電流IV，并向底電極擴(kuò)散，在GO/G界面處積累，如圖5e所示。一般認(rèn)為在相對(duì)濕度固定時(shí)，GO中吸附的水分子在自解離與相應(yīng)逆過(guò)程作用下保持著質(zhì)子產(chǎn)生和湮滅的動(dòng)態(tài)平衡[65]，因此可以認(rèn)為GO中的質(zhì)子濃度為一恒定值，即當(dāng)一定數(shù)量的質(zhì)子在GO/G界面上積累時(shí)，同樣數(shù)量的質(zhì)子會(huì)在GO內(nèi)部生成。因此，在刺激電壓(+V)一定時(shí)，無(wú)論電壓掃描方向如何，IV都保持恒定值(圖5e)。同時(shí)一旦質(zhì)子在電極界面上積累，將形成一個(gè)與外電場(chǎng)方向相反的內(nèi)建電場(chǎng)[41-42,44,68]，并且在電極界面和GO間產(chǎn)生質(zhì)子濃度梯度，這兩種情況下會(huì)形成另外兩種電流，一是內(nèi)建電場(chǎng)下質(zhì)子漂移產(chǎn)生的電流(Iin)，二是濃度梯度下質(zhì)子擴(kuò)散產(chǎn)生的電流(ID)。Iin和ID的方向與IV方向相反(圖5e)，因此器件的凈電流(I)可以計(jì)算為I=IV-(Iin+ ID)，其中Iin和ID取決于GO/G界面上積累的質(zhì)子數(shù)量，上述兩種相向的質(zhì)子輸運(yùn)過(guò)程在GO/G界面上同時(shí)發(fā)生。外電場(chǎng)作用下界面質(zhì)子數(shù)量增加，使得Iin和ID升高；而內(nèi)建電場(chǎng)作用下界面質(zhì)子數(shù)量減少，使得Iin和ID降低。需要指出的是，一些質(zhì)子會(huì)捕獲陰極提供的電子生成氫氣分子[69，70]，而氫氣分子可通過(guò)多孔的G電極逸出，如圖5e所示。這種析氫反應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子數(shù)的減少，一般而言，產(chǎn)生氫氣的量與積累質(zhì)子數(shù)呈正相關(guān)。如圖5c所示，Au/GO/Pt器件在1 Hz下得到的最大電容約為10 μF/cm2，表明界面上質(zhì)子積累導(dǎo)致在Au/GO界面或GO/Pt界面處形成了雙電層電容。因此，相較于質(zhì)子積累過(guò)程，析氫反應(yīng)的速率要低得多。顯然，在正向0→+0.2 V掃描過(guò)程中質(zhì)子積累起主導(dǎo)作用，而反向的+0.2→0 V掃描過(guò)程中質(zhì)子回遷/析氫反應(yīng)起主導(dǎo)作用，由此導(dǎo)致相同電壓下正向掃描和反向掃描時(shí)界面積累質(zhì)子數(shù)的差異，如圖5e所示。這是由于在正常掃描速率下(如本論文中采用的0.3～3 mV/s)的反向掃描過(guò)程中，在界面處積累的質(zhì)子沒(méi)有足夠的時(shí)間通過(guò)回遷/析氫反應(yīng)恢復(fù)到之前(正向掃描)的數(shù)量，因而反向掃描時(shí)界面上積累的質(zhì)子數(shù)量將大于正向掃描時(shí)的，所以在反向掃描時(shí)，Iin和ID相對(duì)較高(圖5e)?？紤]到無(wú)論電壓掃描方向如何，IV都保持恒定值，因此可以推導(dǎo)出反向掃描時(shí)的器件電流小于正向掃描時(shí)的器件電流，而在反向掃描接近結(jié)束時(shí)，Iin+ ID高于IV，從而導(dǎo)致負(fù)的凈電流I，即圖5a中I-V曲線所呈現(xiàn)的滯回線形態(tài)。

從圖5a中還可以看出，器件在不同電壓掃描速率下的I-V特性也存在顯著差異。首先，I-V曲線的滯回程度隨掃描電壓速率的減小而減弱。其次，在正掃全過(guò)程和回掃過(guò)程的0.2→0.11 V電壓范圍內(nèi)，電流隨掃描速率的減小而下降，而回掃過(guò)程的0.11→0 V電壓范圍內(nèi)電流隨掃描速率的減小而增強(qiáng)。由于I-V滯回線的產(chǎn)生源于質(zhì)子回遷/析氫反應(yīng)的時(shí)間相對(duì)較短，而降低電壓掃描速率可以延長(zhǎng)這一時(shí)間，因而滯回現(xiàn)象將更弱。在質(zhì)子積累占主導(dǎo)作用的正掃描過(guò)程中，降低電壓掃描速率將導(dǎo)致更多的質(zhì)子在界面處積累，進(jìn)而使得Iin與ID增大而I降低。在質(zhì)子回遷/析氫反應(yīng)占主導(dǎo)作用的回掃過(guò)程中，降低電壓掃描速率導(dǎo)致最初(0.2 V時(shí))積累質(zhì)子數(shù)量的增加和質(zhì)子回遷/析氫反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，因此不同掃描速率下的四條I-V曲線相交于約0.11 V處，在這一交點(diǎn)處，質(zhì)子積累量為定值。在0.2→0.11 V掃描時(shí)質(zhì)子的積累量逐漸接近這一定值，而通過(guò)這個(gè)交點(diǎn)后，即0.11→0 V掃描時(shí)，由于質(zhì)子回遷/析氫反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，同一電壓下的電流將隨著掃描速率的減小而增大。

3.3 突觸STD模擬

基于質(zhì)子遷移特性的G/GO/G器件可用于模擬STD突觸特性。如圖6a所示，在生物突觸中STD行為表現(xiàn)為在重復(fù)刺激下單個(gè)突觸后電流(PSCs)幅值的下降，這一般是由于神經(jīng)遞質(zhì)的不足引起的[7]。突觸的STD特性可通過(guò)對(duì)G/GO/G器件施加連續(xù)的20～ 200 mV的電壓脈沖刺激模擬得到，如圖6b所示。當(dāng)電壓幅值為10mV時(shí)相應(yīng)的電流幅值沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，這是器件在電流值為10-14A時(shí)信噪比過(guò)低所致。當(dāng)電壓范圍在20～200mV時(shí)，電流隨著脈沖數(shù)量的增加而下降，可歸因于質(zhì)子在GO/G界面積累數(shù)量的增加。當(dāng)電壓幅值一定時(shí)，每個(gè)脈沖對(duì)界面質(zhì)子積累的貢獻(xiàn)也是一定的，在較短的脈沖間隔(約1.6s)條件下，只有少量的質(zhì)子可以回遷至GO內(nèi)或者在界面處被還原。根據(jù)電流的計(jì)算式I=IV-(Iin+ID)，其中IV為一定值，而Iin與ID將會(huì)隨著積累質(zhì)子數(shù)量的增加而增大。

脈沖間隔時(shí)間對(duì)器件的STD性能也有重要的影響。圖6c所示為三種不同脈沖時(shí)間間隔下，100 mV脈沖電壓連續(xù)刺激時(shí)器件電流的變化趨勢(shì)。需要指出的是，選擇100 mV作為脈沖刺激電壓完全是隨機(jī)的，當(dāng)以20～50 mV或者與之對(duì)應(yīng)的負(fù)電壓脈沖進(jìn)行刺激時(shí)，也會(huì)得到與其相同的結(jié)果。從圖6c中可以看出，在間隔時(shí)間為較短的2 s時(shí)，器件表現(xiàn)出明顯的STD特性，而在相對(duì)長(zhǎng)的10 s間隔下，STD特性較弱。當(dāng)時(shí)間間隔長(zhǎng)達(dá)60 s時(shí)電流值無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，表明界面處積累的所有質(zhì)子均已回遷至GO內(nèi)部或被還原。從圖6a可以計(jì)算得到器件在單個(gè)20 mV電壓脈沖刺激下的最大功耗僅為20 aJ(20 mV×40 fA×25 ms)，在100 mV下約為1 fJ(100 mV×450 fA×25 ms)。此器件的超低功耗亦源于GO的質(zhì)子導(dǎo)電特性。

圖6 G/GO/G器件的STD特性模擬。(a)生物突觸及其STD特性示意圖；(b)連續(xù)100個(gè)脈沖電壓誘導(dǎo)的STD特性，電壓范圍10～200 mV，脈沖寬度和脈沖間隔分別固定為25 ms和約1.6 s；(c)10個(gè)100 mV脈沖電壓下器件的電流變化，脈沖間隔分別為2，10和60 s；(d)100 mV脈沖電壓下的10個(gè)重復(fù)STD行為，每個(gè)STD行為之間的時(shí)間間隔為10 min；(e)100 mV脈沖電壓下的10個(gè)重復(fù)STD行為，每個(gè)STD行為之間給予5個(gè)-100 mV連續(xù)脈沖刺激；(f)單個(gè)100 mV電壓脈沖后施加連續(xù)10 mV脈沖刺激誘導(dǎo)的STD行為Fig. 6 STD emulated in G/GO/G. (a) Schematic of the biological synapse structure and synaptic STD. (b) STD realized by applying 100 successive voltage pulses with amplitudes of 10-200 mV. The pulse width and interval were fixed at 25 ms and ～1.6 s, respectively. (c) Device current evolution during ten 100 mV pulses with different intervals of 2, 10 and 60 s. (d) 10 repetitive STD events upon 100 mV pulses. The time interval between two events was 10 min. (e) 10 STD events upon 100 mV pulses in which five -100 mV pulses were applied to the device between two events. (f) STD achieved by applying a 100 mV pulse followed by successive 10 mV pulses

圖6d為重復(fù)10次的連續(xù)100個(gè)100 mV脈沖刺激下的STD行為曲線，曲線之間無(wú)明顯差別。相鄰兩個(gè)STD行為的時(shí)間間隔為10 min，保證了器件恢復(fù)到初始狀態(tài)，即界面處無(wú)剩余的質(zhì)子積累。而相對(duì)短的時(shí)間間隔將會(huì)導(dǎo)致界面處存在剩余的質(zhì)子，即表現(xiàn)為STD行為的初始電流值下降，如圖7所示。除了質(zhì)子回遷/還原，反向脈沖電壓也可以驅(qū)動(dòng)積累的質(zhì)子回到GO內(nèi)部。如圖6e所示，顯示了100 mV脈沖下的10次STD行為，在每一次STD行為后都給予5個(gè)連續(xù)的-100 mV脈沖刺激。此情形下的STD行為展現(xiàn)了極好的重復(fù)性，說(shuō)明在GO/G界面積累的質(zhì)子在5個(gè)-100 mV反向脈沖的刺激下可以被完全驅(qū)動(dòng)回GO內(nèi)部。而如果此反向脈沖數(shù)量少于5個(gè)，STD行為將不能完全還原，如圖8所示。

圖7 100 mV脈沖電壓下的10個(gè)重復(fù)STD行為。相鄰兩個(gè)STD行為的時(shí)間間隔為(a)2 s，(b)10 s，(c)1 min，(d)2 min，(e)4 min和(f)8 minFig. 7 10 Repetitive STD events upon 100 mV pulses. The time interval between two events was (a) 2 s, (b) 10 s, (c)1 min, (d) 2 min, (e) 4 min, and (f) 8 min

圖8 在100 mV脈沖電壓下的兩個(gè)STD行為之間給予不同數(shù)量的-100 mV脈沖刺激。-100 mV的脈沖個(gè)數(shù)分別為(a) 1個(gè)，(b) 2個(gè)，(c) 3個(gè)，和(d) 4個(gè)Fig. 8 Two STD events upon 100 mV pulses in which different numbers of -100 mV pulses were applied to the device between two events. The number of -100 mV pulses was (a) 1, (b) 2, (c) 3, and (d) 4

如前所述，當(dāng)脈沖刺激電壓為10 mV時(shí)，由于信噪比過(guò)低，器件不顯現(xiàn)明顯的STD行為。但如果在10 mV刺激之前施加一個(gè)電壓相對(duì)較大(如100 mV)的脈沖則可以誘導(dǎo)形成反向的STD特性，如圖6f所示。此現(xiàn)象可以解釋為，在100 mV的連續(xù)脈沖刺激下GO/G界面積累的質(zhì)子數(shù)量為一定值，導(dǎo)致產(chǎn)生了反向電流Iin和ID。當(dāng)移除外電場(chǎng)時(shí)，Iin和ID不會(huì)立即消失，而是隨著積累質(zhì)子的緩慢回遷/還原而逐漸衰減。此后的10 mV脈沖將作為讀取電壓顯示出Iin+ ID的演變過(guò)程。

需要指出的是，來(lái)自同一批次的器件在性能上表現(xiàn)出較小的差異，而來(lái)自不同批次的器件通常表現(xiàn)出較大的差異性。例如，幾十個(gè)批次的器件在100 mV電壓下的電流范圍為0.4～1.2 pA。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是復(fù)雜的，圖1中器件制備的任何一環(huán)都可能對(duì)最終器件產(chǎn)生潛在的影響，例如可能存在的MCE殘留。

4 結(jié) 論

采用溶液法在室溫下制備了G/GO/G兩端質(zhì)子導(dǎo)電器件。利用該器件模擬了突觸的STD特性，操作電壓為幾十毫伏。單個(gè)刺激電壓下突觸器件的最低功耗僅為20 aJ。器件的STD突觸特性源于重復(fù)脈沖電壓的刺激下，質(zhì)子在GO/G界面處的連續(xù)積累。此超低功耗全碳人工突觸器件有望應(yīng)用于腦內(nèi)植入神經(jīng)假體。