隨著人類社會數(shù)據(jù)量的急劇增加以及數(shù)據(jù)類型復(fù)雜程度的提高，類似于人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)型信息處理模式效率將會明顯優(yōu)于傳統(tǒng)架構(gòu)計算機(jī)。開發(fā)符合神經(jīng)形態(tài)計算特性的電子器件進(jìn)而構(gòu)建大規(guī)模人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，成為未來信息科技發(fā)展的一個重要方向。功能氧化物材料物理性質(zhì)對外來離子十分敏感，通過電解質(zhì)調(diào)控的方法在界面處進(jìn)行離子交換可以有效地控制其電導(dǎo)性質(zhì)的變化，逐漸成為神經(jīng)形態(tài)器件設(shè)計研究中很有潛力的方案。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員金奎娟和中科院院士楊國楨領(lǐng)導(dǎo)的L03組一直致力于激光分子束外延方法制備高質(zhì)量的鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)及其物性調(diào)控的研究，該課題組副研究員葛琛等通過離子液體調(diào)控LSMO薄膜實(shí)現(xiàn)了四個量級以上的電阻變化，并提出離子液體中的水與氧化物界面電化學(xué)離子交換過程起主要作用（Adv. Mater. Interfaces 2, 1500407 (2015)）；之后，選擇可以容納大量插入離子的A位缺失鈣鈦礦結(jié)構(gòu)WO3作為模型體系進(jìn)行H+離子液體調(diào)控并設(shè)計突觸晶體管（Adv. Mater. 30, 1801548 (2018); J. Mater. Chem. C 5, 11694 (2017)）；最近，通過O2-離子液體調(diào)控拓?fù)滢D(zhuǎn)換材料（SrFeO2.5?SrFeO3）設(shè)計了高性能突觸晶體管，取得一些進(jìn)展。

研究人員通過激光分子束外延技術(shù)制備出高質(zhì)量SrFeO2.5薄膜，并利用離子液體調(diào)控O2-離子的插入和析出，在SrFeO2.5中通過電場實(shí)現(xiàn)其鈣鐵石相與鈣鈦礦相的拓?fù)滢D(zhuǎn)換。在相轉(zhuǎn)換過程中伴隨著晶體結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)態(tài)及光學(xué)吸收特性的巨大變化，且相變后的結(jié)構(gòu)、性能可以長久保持（一年內(nèi)未有變化）。相比現(xiàn)在主要研究的基于H+注入的突觸晶體管保持特性（分鐘-小時量級）而言，這類拓?fù)滢D(zhuǎn)換材料的保持特性非常優(yōu)異。

基于此拓?fù)湎噢D(zhuǎn)換材料的電解質(zhì)調(diào)控特性，研究人員將SrFeO2.5薄膜制備成電解質(zhì)晶體管，以SrFeOX薄膜作為溝道材料，在離子液體/氧化物界面強(qiáng)電場作用下，通過向溝道插入和析出O2-離子實(shí)現(xiàn)了多個穩(wěn)定電導(dǎo)態(tài)的可逆變化。該器件電導(dǎo)非常低（~5 nS），為低功耗大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供了很好的器件基礎(chǔ)。進(jìn)一步，他們實(shí)現(xiàn)了人工突觸器件的重要功能，包括突觸權(quán)重增強(qiáng)和減弱、突觸的短長時記憶可塑性以及前后突觸的時間可塑性。此外，他們利用反向傳播算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬器，構(gòu)建了基于此鐵氧體突觸晶體管的三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)手寫數(shù)字庫（MNIST）的高精度識別。該工作首次提出的基于拓?fù)湎噢D(zhuǎn)換材料的突觸晶體管綜合性能優(yōu)異，為新型高性能神經(jīng)突觸器件的研究提供了新思路。完成工作主要人員包括碩士生劉昌祥和副教授周慶莉（首師大）、研究員谷林團(tuán)隊(duì)（物理所）等。研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

以上工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院等的資助，并得到中科院青促會的支持。

圖1. 離子液體調(diào)控誘導(dǎo)拓?fù)湎噢D(zhuǎn)換

圖2. 突觸晶體管基本性質(zhì)

圖3. SrFeOx突觸晶體管陣列長程圖形化記憶過程

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