隨著全球數(shù)據(jù)生成的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)革命性內(nèi)存計(jì)算方法和高效機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案的需求不斷增加。盡管最近在機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)備的電學(xué)和電光模擬方面取得了進(jìn)展，但全光非熱功能仍然具有挑戰(zhàn)性，單波長(zhǎng)操作仍然難以實(shí)現(xiàn)。在這里，本研究報(bào)告了一種光學(xué)和單色的神經(jīng)形態(tài)信號(hào)處理方法，用于大腦啟發(fā)功能，消除了對(duì)電脈沖的需要。通過利用光電鐵電襯底與石墨烯傳感器界面內(nèi)的光伏電荷產(chǎn)生和極化，成功地實(shí)現(xiàn)了多能級(jí)突觸增強(qiáng)-抑制循環(huán)。此外，所演示的低功耗原型裝置能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)腦組織的信號(hào)譜，但響應(yīng)速度要快2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。報(bào)告的性質(zhì)將引發(fā)基于光鐵電結(jié)構(gòu)的全光和低功耗人工神經(jīng)形態(tài)的發(fā)展。
圖1. 設(shè)備初始屬性。(a)電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理圖;(b)轉(zhuǎn)移CVD石墨烯層在(001)取向Pb[(Mg
1/3Nb
2/3)
0.70Ti
0.30]O
3晶體上的拉曼光譜。(c)襯底晶體的FE回路;(d)用FE回路原位測(cè)量的石墨烯層的相關(guān)電阻滯后。附圖(d)說明了相對(duì)于狄拉克點(diǎn)的殘留摻雜水平。
圖2. 人工光學(xué)神經(jīng)形態(tài)功能。(a)具有類似腦神經(jīng)元反應(yīng)的光激發(fā)原理圖(上表)。(b)石墨烯電阻對(duì)不同影響的紫外光脈沖的響應(yīng)。(c)石墨烯電阻與相關(guān)源柵電流的光強(qiáng)依賴性。(d)石墨烯電阻的全光單波長(zhǎng)增強(qiáng)和抑制。
圖3. 光生載流子動(dòng)力學(xué)模型。初始極化（a）被光載流子（b）屏蔽。如果光強(qiáng)度高于閾值，則發(fā)生復(fù)合，并且PV電流穩(wěn)定（c）。當(dāng)光線熄滅時(shí)，高于和低于閾值的激發(fā)都會(huì)導(dǎo)致不同的靜電狀態(tài)和相關(guān)的石墨烯摻雜水平，這反映在石墨烯電阻的降低或增加中（d）。
圖4. 神經(jīng)形態(tài)信號(hào)處理。四個(gè)基本函數(shù)：STD（a）、STP（b）、LTD（c）和LTP（d）。圖（e）說明了可逆和不可逆切換的強(qiáng)度條件。
圖5. 石墨烯電阻信號(hào)的光學(xué)處理。使用相同的UV脈沖進(jìn)行增強(qiáng)，而通過365、530和940nm（a）進(jìn)行抑制。530和940nm波長(zhǎng)的光學(xué)增強(qiáng)的失效由PV電流的缺乏來解釋（b）。
圖6.剩余FE狀態(tài)相關(guān)的光學(xué)響應(yīng)。相同強(qiáng)度的356nm光激發(fā)對(duì)不同F(xiàn)E狀態(tài)產(chǎn)生不同的響應(yīng)(見圖)，這是由于FE中PV效應(yīng)的不對(duì)稱性。
相關(guān)研究成果由斯特拉斯堡材料物理和化學(xué)研究所Bohdan Kundys等人2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接: https://doi.org/10.1021/acsami.3c10010)上。原文：Single Wavelength Operating Neuromorphic Device Based on a Graphene–Ferroelectric Transistor
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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