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作 者
林祥德、冯振语、熊瑶、孙文文、尧婉辰、隗义琛、王中林、孙其君
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机 构
中国科学院北京纳米能源与系统研究所
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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. 6 032011.
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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad339b
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撰稿 | 文章作者
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文 章 导 读
随着人工智能的高速发展和大数据时代到来，数据的爆炸式增长对计算机硬件和系统提出了更高的要求。受生物神经系统启发的神经形态技术有望成为打破冯·诺依曼瓶颈的方法之一。压电神经形态器件通过压电势调节电学输运特性，并以主动的方式将外部机械运动与电学输出信号直接关联，具有感知、存储、处理外部刺激信号的能力。这些新兴的神经形态器件在利用压电（电子学）效应激活和调控人工神经形态行为方面具有重要意义。近期，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、孙其君研究员等在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《压电电子学神经形态器件：原理、制造及应用》的综述，系统介绍了压电（电子学）神经形态器件，并讨论了它们的工作机理和相关的制造技术。其次，总结了近年来压电（电子学）神经形态器件的研究进展，包括仿生传感、信息存储、逻辑计算、光电人工突触等方面。最后，展望了如何在未来更有效地调节压电神经形态器件。
压电（电子学）神经形态器件（包括应变门控压电晶体管和压电纳米发电机（PENG）门控场效应晶体管），并讨论了它们的工作机制和相关制造技术。其次，总结了近年来压电（电子学）神经形态器件的研究进展，并对多功能应用进行了详细讨论，包括仿生感应、信息存储、逻辑计算和电子/光学人工突触。最后，在未来的发展、挑战和展望的背景下，讨论了如何更有效地调制具有压电（电子学）效应的新型神经形态器件和系统。该综述探讨的压电电子学神经形态器件对于下一代交互式感觉/记忆/计算具有巨大的潜力，有助于推动物联网、人工智能、生物医学工程等领域的发展。
关键词
压电电子学；神经形态器件；应变门控晶体管；压电纳米发电机；突触晶体管
亮 点
介绍了压电电子学神经形态器件的工作机理和相关的制造技术。
综述了近年来压电电子学神经形态器件在多功能应用方面的研究进展。
讨论了利用压电电子学效应调制新型神经形态器件所面临的挑战和前景。
图1 压电电子学神经形态器件的结构及应用概述。
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研 究 背 景
压电效应是指某些材料在受到机械压力或振动时，其表面电荷分布不均匀，从而产生电位差的现象。基于压电半导体中压电效应和半导体效应的结合，晶体内部的压电电势可以作为“栅”电压来调制金属-半导体界面（或p-n结、异质结、同质结）上的电荷输运，这与传统的压电效应和互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管不同，即王中林教授在2007年所提出的“压电电子学”这一新兴学科和颠覆性技术。此外，压电纳米发电机（PENG）作为一种以麦克斯韦位移电流为驱动力可感知机械刺激并收集机械能的前沿技术，为构建各种自供电传感系统提供了可行性。通过将PENG与场效应晶体管（FET）相耦合，PENG的内部压电势可以直接调制晶体管沟道中的载流子。如图1所示，我们根据器件的结构将压电（电子学）神经形态器件分为两类进行介绍，包括应变门控压电晶体管和PENG门控场效应晶体管。其中应变门控压电晶体管直接利用压电半导体作为沟道材料，而PENG门控晶体管则将压电电势与各种场效应晶体管器件耦合，实现更多样化的应用。
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最 新 进 展
图2展示了压电（电子学）神经形态器件的里程碑性进展的时间轴。自2006年基于ZnO 纳米线阵列的PENG被提出以来，压电电子学研究领域得到了持续而广泛的发展。本文综述了近年来压电（电子学）神经形态器件的研究进展，并对压电（电子学）神经形态器件的结构、工作机理和制造技术进行了详细的讨论。该综述还介绍了基于压电（电子学）神经形态器件的多功能应用，包括多感官感知、存储、逻辑计算和光电突触等。最后，在未来发展挑战和展望的背景下，进一步讨论了如何更有效地调节具有压电（电子学）效应的新型神经形态器件。
图2 压电（电子学）器件的里程碑性进展的时间轴。（a）基于ZnO的PENG。经许可转载。版权所有(2006) ，美国科学促进会。（b）布尔逻辑器件。经许可转载。版权所有（2010）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（c）触觉成像阵列。经许可转载。版权所有(2013) ，美国科学促进会。（d）电致发光成像阵列。经许可转载。版权所有（2013）Springer Nature。（e）MoS2基压电器件。经许可转载。版权所有（2014）Springer Nature。（f）PENG门控晶体管。（g）二维ZnO纳米颗粒阵列。经许可转载。版权所有（2017）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（h）柔性声传感器。（i）人工感觉突触。（j）智能电源装置。CC BY 4.0。（k）细胞牵引成像阵列。（l）仿生视觉假体。
图3 压电（电子学）效应和压电势调制原理。（a-b）在拉伸和压缩应变下金属-半导体（n型）接触的压电势。（c-d）在拉伸和压缩应变下p-n结的压电势。（e-f）PENG门控场效应晶体管的工作机理。
压电（电子学）神经形态器件的纳米功能材料的制造 活性纳米材料的两种主要制造方法，包括“自下而上”和“自上而下”方法。自下而上的方法是从原子/分子开始以自组装的方式在基底上生长所需的纳米材料和结构，常用的自下而上方法包括湿化学合成和化学/物理气相沉积。自下而上的制造方法能够生长大规模纳米材料，但它也存在一些缺点，例如目标材料的高度、直径和成分不均匀。自上而下的制造工艺是指通过一系列薄膜沉积、光刻和蚀刻技术在基底（或本体材料）上直接制备所需的纳米结构，被广泛应用于二维晶体管等器件的制备中。
压电（电子学）神经形态器件的感-存-算等神经形态应用 将压电（电子学）效应与半导体器件耦合的新兴技术在即将到来的智能时代显示了神经形态应用的巨大潜力。基于不同器件结构实现的仿生感知/传感（图4和5）、信息存储和计算、人工突触（图6）等功能无疑是压电（电子学）神经形态器件应用中的重点研发方向。
图4 用于触觉感知的压电（电子学）器件。（a）基于ZnO 纳米线的两端应变门控垂直压电晶体管的原理图。（b）92×92压电晶体管阵列的拓扑图。（c）在晶体管阵列上施加字母A形状的六个法向应力后的电流响应等高线图。（d）基于AlGaN/AlN/GaN异质结晶体管的SPD示意图。（e）不同应变下SPD的输出曲线。（f）SPD的输出功率密度与加速度的关系。（g）使用ZnO TFT的触觉传感示意图。（h）不同施加力下阵列的输出电流变化曲线。（i）用TFT阵列测量剪切力。
图5 PENG门控晶体管。（a）PENG门控石墨烯FET的示意图。（b）有源矩阵应变传感器阵列的示意图及输出电流分布。（c）在PENG的应变下FET的输出特性。（d）拉伸和压缩应变下FET的动态电流响应。（e）应变传感器的灵敏度特性。（f）压电电位编程非易失性存储阵列和应变下的输出特性。（g）压电势编程存储器的多级存储/擦除步骤。（h）压电石墨烯势垒晶体管的截面示意图。（i）不同组合的PENG应变下，压电石墨烯势垒晶体管的实时电流密度。
图6 用于电学人工突触的压电电子学器件。（a）人类感觉神经系统示意图。（b）压电石墨烯人工感觉突触的器件结构。（c）不同拉伸应变下的EPSC。（d）基于NKN薄膜的自供电人工神经突触。（e）施加启动尖峰实现STDP的再可塑性。（f）人工尖刺机械感受器系统（ASMS）的原理图。（g）ASAN的输入电压与响应频率的函数。（h）不同压力强度下ASMS的频率响应。
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未 来 展 望
近年来，基<用范围。压电神经形态器件及系统具有感知、计算、学习、处理具体和复杂问题的能力，有望推动物联网、人工智能、生物医学工程等领域的发展。
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作 者 简 介
王中林
中国科学院
北京纳米能源与系统研究所
王中林院士，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学纳米科学与工程学院院长、讲席教授，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士。王中林院士在国际一流刊物发表期刊论文2100余篇（其中13篇发表于《Science》，7篇发表于《Nature》，65篇发表在相应子刊上），200余项专利，7部专著和20余本编辑书籍和会议文集。受邀做过1000余次学术讲演和大会特邀报告，是国际纳米能源领域著名期刊《Nano Energy》的创刊者与现任主编。截止到2024年6月10日，google学术论文引用43万次以上，h因子（h-index）314。全球材料科学总引用数和h指数排名世界第一；世界横跨所有领域前10万科学家终身科学影响力综合排名第3位，其中2019年和2020年年度排名第1位。
孙其君
中国科学院
北京纳米能源与系统研究所
孙其君，中科院北京纳米能源与系统研究所-研究员，博士生导师，功能柔性电子课题组组长，入选中科院人才计划、北京市特聘专家、北京市科技新星等。其研究方向为新材料、半导体器件、电子皮肤传感器、新一代信息技术等。主要是利用新型纳米材料构建柔性场效应晶体管，通过集成压电/摩擦电驱动单元，实现外部机械行为对电学特性调控，并以此为基础对超低功耗人机交互、智能传感、人体健康监测、人工智能和感存算一体化芯片等领域做拓展应用研究。团队承担多项国家基金委、科技部和地方科研项目，在《Nature Communications》《Science Advances》《Chemical Review》《EES》 《Advanced Materials》《Materials Today》等高水平期刊发表学术论文120余篇。
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关于期刊
International Journal of Extreme Manufacturing (中文《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。2023年JCR最新影响因子14.7，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区。
⬆️ 期刊宗旨和栏目（点击阅读详情）
期刊网址：
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 编辑：范珂艳 审核：关利超
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