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近日，湖南师范大学研究团队在国际著名应用物理期刊Applied Physics Letters上发表了题为“Low-voltage solution-processed Na_xCu_1−xⅠ thin-film transistors for mimicking synaptic plasticity”的研究论文（https://doi.org/10.1063/5.0186892）。物理与电子科学学院硕士研究生曾广秀为第一作者，窦威副教授和唐东升教授为通讯作者。

本研究采用溶液法在FTO玻璃衬底上室温制备了Na_xCu_1−xⅠ TFTs。Na_0.05Cu_0.95Ⅰ TFT获得了最优的电学性能，其大电流开关比为1.62×10⁵，较低的亚阈值斜率为17.72mV/dec，场效应迁移率为0.51cm²/V·s，阈值电压为1.10V，同时具有良好的稳定性。重要的突触功能也被有效地模拟。例如，短时程可塑性、长时程可塑性、双脉冲易化和高通滤波都是通过一个突触前输入端来模拟的。脉冲逻辑和空间求和由两个突触前输入端模拟。

具有双平面栅的Na_0.05Cu_0.95Ⅰ突触晶体管的原理图和测量布局如图所示。显然，它存在四个终端：源极、漏极和两个平面栅极。值得注意的是，该器件的双平面栅结构是严格按照对称原则设计和制作的，以满足操作机构的要求。图（b）描绘了具有两种不同突触前输入的生物突触的示意图。图（c）是两个独立的突触输入的空间叠加。图（c）中的蓝色曲线表明，当给G1施加突触前电压脉冲（-0.8V，10ms）时，可以检测到19.4nA的EPSC。图（c）中红色曲线显示，当G2上放置另一个输入脉冲（-0.8V，10ms）时，可以得到25.2 n A的EPSC峰。通过将两个EPSCs相加得到的预测电流为44.6nA [图（c）中的绿色曲线]。计算得到在G1和G2上同时施加两个输入尖峰（-0.8V，10ms）时，由突触晶体管Na0.05Cu0.95I沟道层测得的EPSC (实际电流)为48.9nA [图（c）中黑色曲线]，略大于预测电流。如图（d）所示，测量的和显示为预测和的函数。对G1和G2分别施加相同的电压脉冲信号，然后同时施加，突触前电压脉冲以-0.2V的步长从-0.6V增长到-1.4V。当两个或更多输入的组合响应总是超过个体响应之和时，空间求和的非线性被认为超线性，而当组合响应总是低于线性预测时，则被报告为次线性。显然，这种超线性叠加是由Na_0.05Cu_0.95Ⅰ突触TFT实现的。栅极通过EDL耦合效应调控沟道电流。当在单个平面栅极上施加突触前电压脉冲时，质子将被推到沟道层和栅介质之间的界面上。在两个或多个栅电极的共同作用下，发生协同耦合，在沟道下方产生更多的质子，沟道中的自由电子浓度增加，从而实现超线性求和。图（e）和图（f）分别展示了Na_0.05Cu_0.95Ⅰ突触TFT的脉冲逻辑功能和真值表。在FTO玻璃衬底上制备了具有双平面栅结构的Na_0.05Cu_0.95Ⅰ TFT。它有两个突触前输入，G1和G2。突触前输入电压2和-1分别定义为逻辑0和1。脉冲宽度为10ms，读取电压VDS为-0.2V，阈值电流设置为50nA，两个突触前输入共同工作得到的输出电流定义为EPSC。将低于阈值电流的输出电流定义为逻辑0，高于阈值电流的输出电流定义为逻辑1。只有当G1和G2的二进制输入为11时，EPSC的幅值才大于阈值电流，即输出为逻辑1。因此，逻辑AND功能得以实现。（Applied Physics Letters，2024，124，123508）。

      研究工作得到了国家自然科学基金（62104068、11574081），湖南省教育厅优秀青年基金（20B345），湖南师范大学博士启动基金（0531120）等项目资助。