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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“Synaptic plasticity and memory mimicked in solution-processed K-doped CuI thin film transistors”的研究论文（https://doi.org/10.1063/5.0182472）。物理与电子科学学院硕士研究生雷江云为第一作者，窦威副教授和唐东升教授为通讯作者。

      人体神经形态系统的特点是具有高度并行、低能耗、自学习的信息处理能力。神经元是该系统的基本单位，突触是神经元的基本单元，其数量在神经形态系统中多至10¹⁵。突触可塑性在此背景下是一个关键概念，涉及突触前和突触后活动的时间动态如何影响短期和长期突触的强度、功能和效率。这种可塑性在促进人脑的基本认知、计算和记忆功能方面发挥着关键作用。基于软件的神经拟态计算仍受限于冯·诺依曼架构的硬件，因此在硬件层面突破传统限制，构建模仿生物大脑的设备系统对于实现高度并行、低能耗、高计算效率至关重要。建立具有类似于人脑认知能力的仿生设备的想法可以追溯到几十年前。近年来，研究人员对开发模仿大脑工作原理的电子系统重新产生了浓厚的兴趣，导致该领域的研究工作迅速增长，而开发具有突触能力的单一电子设备对于推进神经形态计算系统的建立具有巨大的意义。

      在突触可塑性中，PPF指突触连续收到两个间隔足够短的连续脉冲，第二个脉冲产生比第一个脉冲更强的 EPSC 的现象。据图（a）所示的 PPF 测试结果，观察到随着两个脉冲之间的时间间隔增加，促进效应减弱，这与生物突触中的神经递质释放模式一致。当两次刺激之间的间隔很短时，第一次刺激引起的在栅介质/沟道界面处积累的阴离子无法快速扩散回其平衡位置，这相当于突触前神经元末端残留的神经递质。因此，更多的阴离子积聚在栅介质/沟道界面处，导致触发第二次刺激时沟道电导进一步增强。另一方面，当两次刺激之间的间隔较长时，由于第一次刺激引起的界面处积累的阴离子可以大量扩散回平衡位置，叠加效应减弱甚至消失，图(b)中的PPF指数曲线为突触可塑性特征提供了证据。PPF 计算公式如下：

      图(c)-(e)说明了具有 PPF 特性的突触在接收连续脉冲输入序列时会产生更强的输出信号。随着脉冲数量的增加，观察到EPSC的峰值逐渐上升，上升趋势如图（f）所示，这归因于Cu_0.95K_0.05I_x TFT中离子的缓慢极化响应。当脉冲间隔短于阴离子的弛豫时间时，前一脉冲引起的在栅介质/沟道界面处累积的阴离子没有足够的时间扩散回其平衡位置并部分保留在界面附近。由于残余累积效应，由下一个脉冲引起的在栅介质/沟道界面处的阴离子累积增加。随着脉冲数量的增加，沟道层中产生越来越多的感应空穴，导致沟道电导率增加，且脉冲数量越多，阴离子的残留累积效应越明显，导致EPSC峰值越大。然而，在一系列连续脉冲序列刺激后，EPSC可以衰减回到其初始值，这表明即使刺激数量增加，沟道中也没有发生明显的电化学反应，薄膜晶体管实现了STM。这种现象的离子机制与 PPF一致，并且类似于经典的人类调节。未来，可以进一步结合各种传感器和突触晶体管，以实现多样化的生物传感能力。（Applied Physics Letters，2024，124，033504）。

    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）等项目资助