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作 者

周奎、賈子琪、馬欣奇、牛文標、周垚、黃寧、丁光龍、閆巖、韓素婷、Vellaisamy A. L. Roy、周曄

機 構

深圳大學

Citation

Zhou K et al. 2023. Manufacturing of graphene based synaptic devices for optoelectronic applications. Int. J. Extrem. Manuf.5042006.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/acee2e

撰稿 | 文章作者

文章導讀

人工智能（AI）和物聯網（IoTs）技術對芯片算力、大數據可訪問性和算法訓練模型優化的需求激增。由于馮·諾依曼架構的限制，傳統計算機面臨著高能耗和低計算效率的挑戰。類腦計算以脈沖神經網絡為主要計算范式，模擬生物神經元系統，是打破馮·諾依曼瓶頸、獲得高效并行計算技術、實現下一代人工智能技術的重要途徑之一。模擬生物突觸功能的突觸器件和集成是作為未來類腦計算發展的重要硬件支持。石墨烯作為一種二維晶體材料，不僅具有優異的光電特性，還具備良好的可加工性、穩定性和生物相容性，是發展未來生物相容的神經形態系統的重要材料。此外，光通訊具有大的光學帶寬、高抗干擾性、最小化信號延遲和功率損耗的獨特優勢。因此，引入光子電路構建光電神經形態計算架構，能有效實現系統的互連性、操作線性和多樣性。近期，深圳大學高等研究院的周曄團隊在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《石墨烯人工突觸制造實現光電類腦計算應用》的綜述，文章主要內容如圖1所示，系統介紹了石墨烯器件制備技術、石墨烯人工突觸及其光電類腦應用的最新進展，最后展望其在未來神經形態系統中的研究方向。

關鍵詞

石墨烯；突觸器件；光電應用；類腦計算

亮 點

• 介紹并討論石墨烯器件的制備技術，包括合成、轉移和圖案化；

• 歸納總結石墨烯在人工突觸器件（憶阻器和突觸晶體管）中的作用；

• 綜述石墨烯突觸器件的光電應用研究進展；

• 概述石墨烯突觸器件在光電神經形態應用中的挑戰和未來前景。

圖1. 石墨烯人工突觸制造實現光電類腦計算應用的圖文概述，石墨烯器件制備技術、石墨烯人工突觸及其光電類腦應用的最新進展。

研究背景

隨著新型存儲機制和器件架構的發現，基于各種材料的人工突觸器件被相繼開發，例如基于氧化還原活性、相變或鐵電材料的雙端憶阻器，以及具有三端晶體管結構的器件。盡管成熟的互補金屬氧化物半導體（CMOS）處理技術允許構建大規模的人工突觸集成電路，但基于金屬布線的電路設計限制了集成電路的互連規模，同時大規模的金屬布線會帶來信號衰減和散熱問題。光通訊具有大的光學帶寬、高抗干擾性、最小化信號延遲和功率損耗的獨特優勢，引入光子電路來構建光電神經形態計算架構，可以實現人工神經網絡的高度互連性、操作線性和功能多樣性，尤其在模擬生物視覺感知系統方面具有巨大潛力。值得注意的是，光電突觸器件的實現依賴于獨特的光?物質相互作用，需要理想的功能材料和合理的器件結構。石墨烯作為一種二維晶體材料，不僅具有優異的光電特性，還具備良好的可加工性、穩定性和生物相容性，是發展未來生物相容的神經形態系統的重要材料。以石墨烯突觸器件構建人工神經網絡對未來光電類腦計算發展有著重要促進作用。在本文中，周奎博士等人對石墨烯突觸器件的最新進展進行了詳細介紹。

最新進展

石墨烯突觸器件的最新進展主要分為三個部分：制備工藝、器件結構和光電類腦計算應用。首先，石墨烯突觸器件的制備工藝主要包括石墨烯材料合成、轉移和圖案化三方面。另外，突觸器件結構主要分為兩種，即兩端憶阻器和三端突觸晶體管。最后，光電類腦計算應用涉及到，例如光邏輯計算、神經視覺系統和聯想學習等。

石墨烯制備工藝包括石墨烯合成、轉移和圖案化。如圖2所示，合成主要分為自上而下的剝離法和自下而上的化學氣相沉積法；轉移步驟主要包括在石墨烯表面沉積支撐膜，然后將石墨烯從生長基底剝離，最后對準轉移到目標基底上；石墨烯圖案化主要包括光刻圖案化法和激光直寫法。

圖2. 石墨烯器件制備工藝示意圖：（a）合成、（b）轉移和（c）圖案。

石墨烯突觸器件結構石墨烯突觸器件從結構上可分為：兩端憶阻器和三端突觸晶體管。如圖3所示，在兩端憶阻器中，石墨烯可以作阻變活性層、超薄電極和離子遷移調制層。而在三端突觸晶體管中，石墨烯可以作為半導體層，構建界面捕獲型晶體管、浮柵晶體管和電解質柵晶體管，其中石墨烯由于優良的電荷捕獲性能，還能作為浮柵晶體管中的浮柵層。

圖3. 石墨烯突觸器件結構。（a）兩端憶阻器中石墨烯可以作活性層、電極和功能調制層。（b）三端突觸晶體管中石墨烯器件可以為界面捕獲型晶體管、浮柵晶體管和電解質柵晶體管（ii-viii）經許可轉載。（ii）版權所有（2008）The American Chemical Society，（iii）版權所有（2015）Nature Publishing Group，（iv）版權所有（2016）The American Chemical Society。（v）版權所有（2020）Nature Publishing Group，（vi）版權所有（2015）The Royal Society of Chemistry， （vii）版權所有（2021）Springer nature。（viii）版權所有（2022）Springer nature。

光電類腦計算應用在石墨烯光電突觸器件中，光信號刺激能提供獨特的無接觸方式來模擬生物突觸功能，促進了多功能和高智能神經形態系統的發展。首先，石墨烯具有原子薄的結構、高穩定性、可大規模制備特性，有利于器件的大規模集成。然后，石墨烯還具有獨特的光電特性，例如高雙極場效應遷移率，這有助于高速電信號通信和神經形態計算的可調功能；高的光學損傷閾值使其在光子學和光電子的應用中具有可靠性；獨特的電子結構使其性質易受外部光刺激，這表明基于石墨烯光電突觸器件中存在強烈的光誘導調制。最后，石墨烯與各種材料高度兼容，形成了石墨烯基異質結構，這賦予了石墨烯前所未有的可設計光電特性，以應對光電神經形態應用中的各種要求。圖4展示了石墨烯突觸器件的光電應用，包括邏輯運算、神經形態視覺系統和聯想學習。

圖4. 石墨烯突觸器件光電類腦應用：（a）邏輯計算；（b）人工視覺系統；（c）聯想學習。（a）經許可轉載。版權所有（2020）WILEY-VCH。（b）經許可轉載。版權所有（2021）美國化學會。（c）經許可轉載。版權所有（2022）WILEY-VCH。

未來展望

石墨烯是一種具備良好的可加工性、穩定性和生物相容性的優異的二維光電晶體材料，勢必在未來生物相容的神經形態系統領域發揮重要作用。其前景主要包括以下幾個方面：為了實現石墨烯突觸器件的功能多樣性，基于石墨烯的異質結構的制備方法需要進行深入研究；石墨烯衍生材料的性質及器件應用需要進一步開發；全面了解界面物理/化學機制有利于指導石墨烯基突觸器件的合理界面設計，提高功能化器件的制備效率；未來研究需要逐步從石墨烯突觸器件、集成向神經形態系統發展，開發獨特的石墨烯基光電神經形態系統應用，如生物智能傳感器系統、智能腦機接口和人工智能皮膚等。

作者簡介

周 曄

深圳大學

周曄研究員，深圳大學高等研究院課題組長，英國物理學會會士，皇家化學會會士，英國工程技術學會會士，博士生導師。研究興趣包括基于功能材料的信息存儲與傳感，在《Science》、《Chem. Rev.》、《Nat. Electron.》、《Nat. Commun.》、《Matter》、《Adv. Mater.》、《Appl. Phys. Rev.》、《Adv. Funct. Mater.》、《Nano Lett.》、《Mater. Today》、《Nano Today》、《IEEE EDL》、《IEEE TED》等期刊發表論文100余篇，被引用9000余次，H-因子52，獲授權中國與美國發明專利20余項。擔任《STAM》副編輯、《Materials Horizons》顧問委員會委員，《IEEE Access》、《Vacuum》、《Multifunctional Materials》、《PLOS ONE》、《Energy Reviews》、《General Chemistry》編輯委員會委員，《The Innovation》青年編輯，《SmartMat》、《Materials Futures》、《Science China Materials》等期刊青年編委。

采用范德華電極集成方式的低電壓高魯棒性 InSe 憶阻器

大面積高密度microLED陣列巨量轉移技術

關于期刊

《極端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）是極端制造領域的首本國際期刊，致力于發表極端制造相關領域的高質量最新研究成果，文章形式主要為原創性和綜述性文章。目前該刊共設四大欄目：材料與能場相互作用、工藝方法、極端功能材料/結構/器件、測量與系統。IJEM現已被SCI、EI、Scopus、CNKI等數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。同時入選“中國最具國際影響力學術期刊”（TOP 5%）。鉆石開放獲取，免收作者版面費，雙匿評審。

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撰稿：作者 編輯：范珂艷 審核：關利超