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作 者

林祥德、馮振語、熊瑤、孫文文、堯婉辰、隗義琛、王中林、孫其君

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機 構

中國科學院北京納米能源與系統研究所

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Citation

Lin X D, Feng Z Y, Xiong Y, Sun W W, Yao W C, Wei Y C, Wang Z L and Sun Q J. 2024. Piezotronic neuromorphic devices: principle, manufacture, and applications. Int. J. Extrem. Manuf.6032011.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad339b

撰稿 | 文章作者

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文 章 導 讀

隨著人工智能的高速發展和大數據時代到來，數據的爆炸式增長對計算機硬件和系統提出了更高的要求。受生物神經系統啟發的神經形態技術有望成為打破馮·諾依曼瓶頸的方法之一。壓電神經形態器件通過壓電勢調節電學輸運特性，并以主動的方式將外部機械運動與電學輸出信號直接關聯，具有感知、存儲、處理外部刺激信號的能力。這些新興的神經形態器件在利用壓電（電子學）效應激活和調控人工神經形態行為方面具有重要意義。近期，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、孫其君研究員等在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《壓電電子學神經形態器件：原理、制造及應用》的綜述，系統介紹了壓電（電子學）神經形態器件，并討論了它們的工作機理和相關的制造技術。其次，總結了近年來壓電（電子學）神經形態器件的研究進展，包括仿生傳感、信息存儲、邏輯計算、光電人工突觸等方面。最后，展望了如何在未來更有效地調節壓電神經形態器件。

壓電（電子學）神經形態器件（包括應變門控壓電晶體管和壓電納米發電機（PENG）門控場效應晶體管），并討論了它們的工作機制和相關制造技術。其次，總結了近年來壓電（電子學）神經形態器件的研究進展，并對多功能應用進行了詳細討論，包括仿生感應、信息存儲、邏輯計算和電子/光學人工突觸。最后，在未來的發展、挑戰和展望的背景下，討論了如何更有效地調制具有壓電（電子學）效應的新型神經形態器件和系統。該綜述探討的壓電電子學神經形態器件對于下一代交互式感覺/記憶/計算具有巨大的潛力，有助于推動物聯網、人工智能、生物醫學工程等領域的發展。

關鍵詞

壓電電子學；神經形態器件；應變門控晶體管；壓電納米發電機；突觸晶體管

亮 點

• 介紹了壓電電子學神經形態器件的工作機理和相關的制造技術。

• 綜述了近年來壓電電子學神經形態器件在多功能應用方面的研究進展。

• 討論了利用壓電電子學效應調制新型神經形態器件所面臨的挑戰和前景。

圖1 壓電電子學神經形態器件的結構及應用概述。

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研 究 背 景

壓電效應是指某些材料在受到機械壓力或振動時，其表面電荷分布不均勻，從而產生電位差的現象?；趬弘姲雽w中壓電效應和半導體效應的結合，晶體內部的壓電電勢可以作為“柵”電壓來調制金屬-半導體界面（或p-n結、異質結、同質結）上的電荷輸運，這與傳統的壓電效應和互補金屬氧化物半導體（CMOS）晶體管不同，即王中林教授在2007年所提出的“壓電電子學”這一新興學科和顛覆性技術。此外，壓電納米發電機（PENG）作為一種以麥克斯韋位移電流為驅動力可感知機械刺激并收集機械能的前沿技術，為構建各種自供電傳感系統提供了可行性。通過將PENG與場效應晶體管（FET）相耦合，PENG的內部壓電勢可以直接調制晶體管溝道中的載流子。如圖1所示，我們根據器件的結構將壓電（電子學）神經形態器件分為兩類進行介紹，包括應變門控壓電晶體管和PENG門控場效應晶體管。其中應變門控壓電晶體管直接利用壓電半導體作為溝道材料，而PENG門控晶體管則將壓電電勢與各種場效應晶體管器件耦合，實現更多樣化的應用。

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最 新 進 展

圖2展示了壓電（電子學）神經形態器件的里程碑性進展的時間軸。自2006年基于ZnO 納米線陣列的PENG被提出以來，壓電電子學研究領域得到了持續而廣泛的發展。本文綜述了近年來壓電（電子學）神經形態器件的研究進展，并對壓電（電子學）神經形態器件的結構、工作機理和制造技術進行了詳細的討論。該綜述還介紹了基于壓電（電子學）神經形態器件的多功能應用，包括多感官感知、存儲、邏輯計算和光電突觸等。最后，在未來發展挑戰和展望的背景下，進一步討論了如何更有效地調節具有壓電（電子學）效應的新型神經形態器件。

圖2壓電（電子學）器件的里程碑性進展的時間軸。（a）基于ZnO的PENG。經許可轉載。版權所有(2006) ，美國科學促進會。（b）布爾邏輯器件。經許可轉載。版權所有（2010）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（c）觸覺成像陣列。經許可轉載。版權所有(2013) ，美國科學促進會。（d）電致發光成像陣列。經許可轉載。版權所有（2013）Springer Nature。（e）MoS2基壓電器件。經許可轉載。版權所有（2014）Springer Nature。（f）PENG門控晶體管。（g）二維ZnO納米顆粒陣列。經許可轉載。版權所有（2017）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（h）柔性聲傳感器。（i）人工感覺突觸。（j）智能電源裝置。CC BY 4.0。（k）細胞牽引成像陣列。（l）仿生視覺假體。

圖3壓電（電子學）效應和壓電勢調制原理。（a-b）在拉伸和壓縮應變下金屬-半導體（n型）接觸的壓電勢。（c-d）在拉伸和壓縮應變下p-n結的壓電勢。（e-f）PENG門控場效應晶體管的工作機理。

壓電（電子學）神經形態器件的納米功能材料的制造活性納米材料的兩種主要制造方法，包括“自下而上”和“自上而下”方法。自下而上的方法是從原子/分子開始以自組裝的方式在基底上生長所需的納米材料和結構，常用的自下而上方法包括濕化學合成和化學/物理氣相沉積。自下而上的制造方法能夠生長大規模納米材料，但它也存在一些缺點，例如目標材料的高度、直徑和成分不均勻。自上而下的制造工藝是指通過一系列薄膜沉積、光刻和蝕刻技術在基底（或本體材料）上直接制備所需的納米結構，被廣泛應用于二維晶體管等器件的制備中。

壓電（電子學）神經形態器件的感-存-算等神經形態應用將壓電（電子學）效應與半導體器件耦合的新興技術在即將到來的智能時代顯示了神經形態應用的巨大潛力。基于不同器件結構實現的仿生感知/傳感（圖4和5）、信息存儲和計算、人工突觸（圖6）等功能無疑是壓電（電子學）神經形態器件應用中的重點研發方向。

圖4用于觸覺感知的壓電（電子學）器件。（a）基于ZnO 納米線的兩端應變門控垂直壓電晶體管的原理圖。（b）92×92壓電晶體管陣列的拓撲圖。（c）在晶體管陣列上施加字母A形狀的六個法向應力后的電流響應等高線圖。（d）基于AlGaN/AlN/GaN異質結晶體管的SPD示意圖。（e）不同應變下SPD的輸出曲線。（f）SPD的輸出功率密度與加速度的關系。（g）使用ZnO TFT的觸覺傳感示意圖。（h）不同施加力下陣列的輸出電流變化曲線。（i）用TFT陣列測量剪切力。

圖5PENG門控晶體管。（a）PENG門控石墨烯FET的示意圖。（b）有源矩陣應變傳感器陣列的示意圖及輸出電流分布。（c）在PENG的應變下FET的輸出特性。（d）拉伸和壓縮應變下FET的動態電流響應。（e）應變傳感器的靈敏度特性。（f）壓電電位編程非易失性存儲陣列和應變下的輸出特性。（g）壓電勢編程存儲器的多級存儲/擦除步驟。（h）壓電石墨烯勢壘晶體管的截面示意圖。（i）不同組合的PENG應變下，壓電石墨烯勢壘晶體管的實時電流密度。

圖6用于電學人工突觸的壓電電子學器件。（a）人類感覺神經系統示意圖。（b）壓電石墨烯人工感覺突觸的器件結構。（c）不同拉伸應變下的EPSC。（d）基于NKN薄膜的自供電人工神經突觸。（e）施加啟動尖峰實現STDP的再可塑性。（f）人工尖刺機械感受器系統（ASMS）的原理圖。（g）ASAN的輸入電壓與響應頻率的函數。（h）不同壓力強度下ASMS的頻率響應。

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未 來 展 望

近年來，基 <用范圍。壓電神經形態器件及系統具有感知、計算、學習、處理具體和復雜問題的能力，有望推動物聯網、人工智能、生物醫學工程等領域的發展。<>

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作 者 簡 介

王中林

中國科學院

北京納米能源與系統研究所

王中林院士，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長，中國科學院大學納米科學與工程學院院長、講席教授，佐治亞理工學院終身校董事講席教授。中科院外籍院士、歐洲科學院院士、加拿大工程院外籍院士。王中林院士在國際一流刊物發表期刊論文2100余篇（其中13篇發表于《Science》，7篇發表于《Nature》，65篇發表在相應子刊上），200余項專利，7部專著和20余本編輯書籍和會議文集。受邀做過1000余次學術講演和大會特邀報告，是國際納米能源領域著名期刊《Nano Energy》的創刊者與現任主編。截止到2024年6月10日，google學術論文引用43萬次以上，h因子（h-index）314。全球材料科學總引用數和h指數排名世界第一；世界橫跨所有領域前10萬科學家終身科學影響力綜合排名第3位，其中2019年和2020年年度排名第1位。

孫其君

中國科學院

北京納米能源與系統研究所

孫其君，中科院北京納米能源與系統研究所-研究員，博士生導師，功能柔性電子課題組組長，入選中科院人才計劃、北京市特聘專家、北京市科技新星等。其研究方向為新材料、半導體器件、電子皮膚傳感器、新一代信息技術等。主要是利用新型納米材料構建柔性場效應晶體管，通過集成壓電/摩擦電驅動單元，實現外部機械行為對電學特性調控，并以此為基礎對超低功耗人機交互、智能傳感、人體健康監測、人工智能和感存算一體化芯片等領域做拓展應用研究。團隊承擔多項國家基金委、科技部和地方科研項目，在《Nature Communications》《Science Advances》《Chemical Review》《EES》 《Advanced Materials》《Materials Today》等高水平期刊發表學術論文120余篇。

CMOS工藝兼容的神經形態器件及其類腦感知與計算應用

石墨烯人工突觸制造實現光電類腦計算應用

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。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。

?? 期刊宗旨和欄目（點擊閱讀詳情）

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關利超

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