福大团队提出晶体管多神经形态功能器件，将硬件网络速度提高200%

开发高效的神经形态硬件网络对于实现复杂的人工智能至关重要。受限于冯诺依曼架构，传统计算机的计算效率难以提升。

现今，出现了可模仿生物大脑结构和 *** 作的神经形态芯片，其能够高效且节能地运行大数据和人工智能算法等复杂计算机任务。然而，目前已提出的神经形态芯片需要大规模的设备才能构成复杂的网络结构。

近日，福州大学物理与信息工程学院陈惠鹏教授团队首次提出一种基于二维材料MXene的多神经形态功能器件——可切换神经元突触晶体管（switchable neuronal-synaptic transistor，简称 SNST ），打破了神经元模块与神经元之间的物理界限。

研究人员表示，SNST 是一种自上而下、兼具高精度和高效率的可转换神经形态器件，在制造工艺、资源利用率和运算速度等方面，对实现高效、准确神经拟态硬件系统有重要意义。

6 月 24 日，相关论文以《用于高效神经形态硬件网络的可编程神经元突触晶体管》（Programmable Neuronal-Synaptic Transistors Based on 2D MXene for High Efficiency Neuromorphic Hardware Network）为题在 Matter 上发表，陈惠鹏教授担任通讯作者，第一作者为福州大学物理与信息工程学院博士生张翔鸿。

据了解，神经形态芯片的基本单元研究主要集中在神经元器件和突触器件两方面，它们是构成生物大脑中神经网络的两个基本单元。据了解，SNST 由 Ag 和 2D MXene (Ti3C2Tx ) 掺杂的聚乙烯醇/氧化铟锡组成，其具有两种不同的电阻切换模式和记忆模式，可以在单个设备上构建人工神经元和突触。

研究中，该团队首先测量了 SNST 的突触功能。其具体机制为，对于金属-绝缘体-半导体结构，当栅电极施加足够大的正电压时，半导体/介质界面处有源层的能带向下弯曲，尾态接近费米能级，大量电子积累形成导电通道；若在源极接地的情况下对 SNST 的漏极施加正电压，则大部分电子将通过导电沟道不断地从源极流向漏极。

而在富含羟基的 PVA 聚合物中会出现质子传导现象。当施加正 VG 时，正质子 (H+) 向 ITO 通道迁移，负羟基迁移朝向栅电极形成双电层。去除外加电压后，这些带电粒子由于浓度梯度不同，会向与原路径相反的方向扩散，但扩散速度比外加电场引起的漂移速度慢。

因此，当施加一系列正电压脉冲时，带电粒子会在 ITO 通道和栅电极的界面处聚集，导致通道中的电流增加。

当对 SNST 施加固定电压时，其漏极和源极之间的电流 (以下简称为 ID ) 是由栅极电压脉冲控制。在施加栅极电压脉冲之前，ID 在正电压脉冲期间保持稳定并处于高电平，随着栅极电压脉冲的施加，ID 会突然增加，随后又缓慢恢复到稳定状态，其衰减的速度与栅极电压脉冲的幅度有关，这种行为类似于生物大脑中的兴奋性突触后电流。相应地，抑制性突触后电流的行为也可以通过 SNST 通过向栅电极施加负电压脉冲来模拟。

此外，当向 SNST 的栅极施加一系列电压脉冲时，ID 的响应类似于从短期记忆到长期记忆，且 ID 的响应随着正脉冲数的增加而增强，脉冲后的稳定状态也增强。这些都表明 SNST 具有稳定的突触特性，可胜任神经形态芯片中的人工突触角色。

除了突触，神经元是神经形态芯片的另一个重要组成部分，其通过模拟神经元膜上受体接收神经递质，并电位差放电的过程实现累计-爆发的计算。

据了解，SNST 的神经元模型类似于一个带有漏极的两端忆阻器，当仅施加一个输入信号时，SNST 可以执行时间积分，并在施加几个脉冲后触发输出尖峰；当产生输出尖峰时，其输出波形的幅度会突然增加到 4 倍以上。而且，SNST 的神经元特性由四个不同的维度控制，这大大提高了其在实际电路中的适用性。

具体来说，SNST 的神经元功能机制是，其含有的 Ag +可以吸附在掺杂的 MXene 表面上，促进导电细丝的形成，从而使得 SNST 从高阻切换到低阻；但由于形成的导电丝较脆，脉冲后会被自然溶解和断裂，而在导电丝完全溶解之前下一个导电丝会更加容易形成，反复多次电压脉冲刺激后会导致电流突然增加，致使 SNST 具有神经元的特征。

值得一提的是，研究人员表示，在器件数量相同的情况下，基于 SNST 阵列的神经拟态芯片可以改变神经元和突触的比例，再通过对神经元和突触的比例进行编程，可解决硬件资源配置与算法任务要求不匹配的问题，资源利用率提高到近 100%。

据悉，研究中，该团队还运用 SNST 开发并演示了可用于真实性数据识别的神经网络，将突触资源和神经元资源的利用率提高近 100%。并且，与传统的神经形态设备相比，其硬件网络的训练速度优化了约 200% 。此外，研究人员基于 SNST 进一步开发了用于人脸识别的硬件系统，准确率高达 80%。

参考链接：

1.XianghongZhang et al. Programmable Neuronal-Synaptic Transistors Based on 2D MXene for High Efficiency Neuromorphic Hardware Network. Matter （2022）https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.009

近年来，限域空间纳米流体传质领域取得显著进展，特别是一维碳纳米管以及二维纳米结构组成尺寸均一的纳米及次纳米尺度离子通道，孔隙内部微观结构和表面化学特性更为可控，是制备高功率纳米流体离子导体的理想材料结构体系。受自然界独特的微观结构的启发，将二维材料通过简单的湿法纺丝重新组装成具有纳米尺度间隙的纤维结构。重组后形成的二维材料层与层之间的限域空间可以充当分子和离子运输的二维通道。Ti 3 C 2 T x 作为二维材料MXene中发展最成熟的材料之一，具有很多与氧化石墨烯结构类似的薄层二维结构，丰富的表面官能团以及极性溶剂高分散等特性，还具有氧化石墨烯不具备的高导电性，是制备高导电纳米流体纤维的理想材料。但是由于Ti 3 C 2 T x 较大的长径比以及柔性片层结构，在湿法纺丝过程中片层易褶皱、堆叠，造成结构缺陷，显著降低纤维力学、导电特性，阻碍离子在纤维结构内部传导，从而制约了Ti 3 C 2 T x 纤维在传感、储能、制动等多功能方面的应用 探索 。

Ti 3 C 2 T x 分散液在外界剪切力作用下，可形成定向液晶结构，可借助湿法纺丝过程形成二维片层的取向排布结构。 苏州大学 邵元龙教授团队 借助这一原理，控制湿法纺丝过程的喷丝口断面结构以及牵伸速率，诱导Ti 3 C 2 T x 片层形成取向结构，并通过Mg 2+ 离子交联作用，最终制备得到具有高取向度结构的Ti 3 C 2 T x 纤维，实现力学性能，导电性能，离子传导性能以及电化学性能的提升。相关工作以“Assembly of Nanofluidic MXene Fibers with Enhanced Ionic Transport and Capacitive Charge Storage by Flake Orientation”发表在《 ACS Nano 》上。

这项研究工作中Ti 3 C 2 T x 纤维取向度大幅度的提高主要依赖于 喷丝口的设计以及牵伸过程 。 受 流体定向 纺丝过程的启发 ，作者设计不同的喷丝口来探究Ti 3 C 2 T x 片层在流动过程中的排列情况。当处于液晶态的Ti 3 C 2 T x 纤维经过 高度纵横比的扁平状流体通道时，受到的剪切力在横向上显著增强；在水平剪切力引导下， Ti 3 C 2 T x 片层沿着纤维轴向定向排列。与圆状通道相比，扁平状流体通道有效解决了了剪切力梯度变化问题，减少了纤维中片层褶皱，孔洞等缺陷。为了提升纤维的取向度，作者对所制备的Ti 3 C 2 T x 初生凝胶纤维进行 牵伸处理 ，经过 牵伸后的纤维内部片层排列更加紧密，消除了片层间不规则的孔隙 ，这种取向结构将加速电子传输，减少电荷转移电阻和电能损失，经过WAXS测试纤维的 取向度高达0.86 。与此同时，作者采用 离子交联 进一步提升Ti 3 C 2 T x 纤维的力学性能。镁离子进入层间后与Ti 3 C 2 T x 片层 表面含氧官能团产生静电相互作用，减弱片层间双电层的厚度，增强层与层之间相互作用力 。经过交联之后的纤维力学强度高达 118MPa ，电导率提升到7200 S cm –1 ，实现优异的电子传导。通过红外热成像仪对纤维导热性能进行测试，发现 Ti 3 C 2 T x 纤维在低功率下能够快速升温到108 。

Ti 3 C 2 T x 取向纤维的离子传导及电化学特性

高定向的Ti 3 C 2 T x 纤维在保持高机械性能和电子传导的同时，还能够实现优异的离子传导。与无序片层组装成的纤维相比， 定向纤维内部片层能够互相连接构成连续的层状通道 ，离子在其中的传输路径更短，传输速率更高 。当电解质被限制在纳米通道中时，电解质会表现出截然不同的性质。在比德拜长度更窄的纳米流体通道中，内壁上的表面电荷排斥单极离子并吸引反离子。这种单极离子传输可以使离子电导率提高几个数量级在1mM盐浓度下，高度定向的Ti 3 C 2 T x 纤维表现出9.7 10 4 S cm 1 高离子电导率。有效的离子输运电导率还可以促进离子在Ti 3 C 2 T x 薄片表面的快速输运，形成电双层，提高功率密度和速率能力。定向Ti 3 C 2 T x 薄片可以与密集填充的薄片形成受限的纳米流态离子传输通道，在这种电解质离子约束场景下，局部库仑有序排列被打破，层状受限孔可以有效地用于电荷存储。对Ti 3 C 2 T x 片层进行定向，同时使层状孔适应电解质离子的大小，这是一种很有前途的策略，可以最大限度地提高比电容，高达1360 F cm 3 。

小结

作者通过微流体通道控制二维片层材料取向排列，构筑快速离子传输通道；采用离子交联进一步提升纤维各项性能，从而制备出优异的Ti 3 C 2 T x 纳米流体取向纤维，有望在人工纤维组织、生物传感器分析和神经电子学中得到广泛的应用。

团队介绍：

邵元龙 ，苏州大学能源学院特聘教授，博导，北京石墨烯研究院石墨烯生物质纤维课题组组长。2016年获得东华大学材料加工工程专业博士学位，博士导师为李耀刚教授和王宏志教授，期间于2013-2015年于美国加州大学洛杉矶分校Richard B. Kaner教授课题组博士联合培养。2016-2018年剑桥大学石墨烯中心从事博士后研究，合作导师为Andrea C. Ferrari教授和Clare P. Grey教授。2018-2019年于沙特阿卜杜拉国王 科技 大学任职研究科学家，合作导师为Vincent C. Tung教授。2019年9月，加入苏州大学能源学院，任特聘教授。迄今以第一作者、通讯作者在 Nat. Rev. Mater. ， Nat. Commun. (2篇)， Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., ACS Nano （2篇） ，Adv. Funct. Mater., Mater. Horiz. （2篇）等国际知名学术期刊发表SCI论文26篇，他引4300余次，7篇被ESI收录为高被引论文（Top 1%），2篇被ESI收录为热点论文（Top 0.1%）主持国家自然科学基金，江苏省自然科学基金青年基金，国家重点实验室开放课题等多项科研项目。担任国际期刊《Frontiers in Chemistry》（影响因子3.782，中科院SCI化学2区）“Advanced Materials for Supercapacitors”专刊客座编辑。

李硕 ，2019年9月至今为苏州大学能源学院与材料创新研究院硕士研究生，导师为邵元龙教授。主要从事功能纤维器件相关研究。入学以来以第一作者在ACS Nano杂志上发表论文；荣获苏州大学研究生学业奖学金二、三等奖。

【课题组招聘】

招聘石墨烯及复合纤维方向博士后2-3名

招聘需求

1. 年龄原则上不超过 35 岁， 身心 健康 ，具有较高的思想道德素养、良好的团队合作精神和奉献精神；具有一定材料、化学领域的研究基础；有较强的英文阅读和写作能力；

2. 博士后要求具有国内外高校或者科研院所的材料、化学、物理等专业博士；

3. 具有纤维纺丝、柔性可穿戴器件、理论计算等相关研究背景人员，优先录取。

应聘材料：

1. 个人简历，包括基本信息、学习和科研经历、已有成果；

2. 代表论文电子版；

工作待遇

按照苏州大学统招博士后发放相关待遇，具体如下：

（一） 统招博士后人员聘期内的总薪酬由基本年薪和奖补金两部分构成。绩效评估优秀者的总薪酬为 100 万元，绩效评估良好者的总薪酬为 80 万元，绩效评估合格者的总薪酬为 60 万元。

1.基本年薪：20 万元（去除学校承担的 社会 保险和公积金之后的税前收入），按月发放。

2.奖补金：根据绩效评估结果按年度发放。

（二）对表现优异的博士后，合作导师将追加基本年薪，相关追加部分不计入 聘期内总薪酬，额外发放。

（三）提供 0.1 万元/月的租房补贴（不计入总薪酬）。

（四）在站期间获得国家博士后创新人才支持计划、博士后国际交流计划引进项目、博士后国际交流计划派出项目、香江学者计划、澳门青年学者计划、中德博士后交流项目等项目资助的，所获得的资助补贴不计入学校的总薪酬，另外叠加发放。

（五）在站期间获得的科研成果可按照学校规定享受学校科研成果奖励。

（六）在站期间可根据学校专业技术职务评聘相关规定参加专业技术职务任职资格评审。

（七）绩效评估优秀者，可优先推荐应聘校内教学科研岗位。

有意向者请将个人简历，以及代表作等相关信息发送到邮箱： ylshao@suda.edu.cn 。

投稿模板：

单篇报道： 上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！

系统报道： 加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦

二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物MXenes，是一种新兴二维层状材料，有望用于电化学储能和光电子应用。 Mxenes中电荷传输的基本理解，对于这些应用是必不可少的，但仍存在争议。虽然理论研究指出了有效带输运，但器件测量揭示了，热激活的跳跃型输运。

今日 德国马普高分子所 （Max Planck Institute for Polymer Research） Hai I. Wang，Mischa Bonn团队 Wenhao Zheng 一作在Nature Physics上发文，报道了通过结合超快太赫兹和静态电输运测量，实现了区分短程和长程输运特性，给出了两种模型Mxenes电荷输运的统一图像。研究发现，在MXene中，带状输运主导了短程的、薄片内的电荷传导，而长程的、薄片间输运，通过热激活跳跃发生，并限制了电荷在MXene薄片中的渗透。对片内载流子散射速率的分析表明，对于半导体和金属Mxenes，主要是因为小耦合常数（α 1）的纵光学声子散射。这表明在Mxenes中形成了大极化子。因此，该项研究工作，提供了MXene自由电荷极化子性质的深入了解，并揭示了MXene材料中，片内和片间传输机制，这与基础研究和应用都非常相关。

Band transport by large Fröhlich polarons in MXenes

Mxenes，Fröhlich极化子能带输运

图1：MXene样品的电荷传输测量模式和表征。

图2：半导体和金属MXene样品的静态太赫兹电导率(吸收)和超快光电导率。

图3：Nb4C3Tx Mxene温度相关太赫兹和电学测量。

图4：半导体和金属Mxenes的太赫兹电导率谱和推断散射时间。

该项研究，权衡了MXenes电荷输运机制理论和实验研究之间的争议，并提出了Mxenes电荷输运的统一图像。通过结合太赫兹和静电传输测量，实现了区分短程和长程传输特性。研究发现，带状电荷输运控制着MXene中的片内电荷输运，而片间输运通过跳跃发生，并成为电荷通过MXene薄片网络渗透的限制步骤。此外，通过分析遵循Matthiessen定律的载流子散射，发现对于半导体和金属Mxenes，载流子-LO声子散射，在片内载流子输运中占主导地位。由此产生的小载流子-LO耦合常数（α 1）表明，在Mxenes中形成了大极化子。该项工作，揭示了MXene中自由电荷的极化子性质，并揭示了MXene网络中的片内和片间传输机制。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01541-y

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01541-y.pdf

DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-022-01541-y

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