突触是神经网络的重要组成部分，用新的电子设备模拟生物突触对于实现人工神经形态系统具有重要意义。然而实现具有复杂功能的人工突触仍然具有很大的挑战性。尽管基本的突触行为——包括短期可塑性、长期可塑性和尖峰时间相关可塑性——可以由两端忆阻器实现，但同时实现信号传递和自我学习仍是相当大的挑战。此外，不能通过突触可塑性来表现周围神经调节剂的作用，突触可塑性仅由两个相连神经元的时间输入脉冲决定。因此，三端/多端人工突触可能更适合于实现复杂的神经网络。

西安交通大学微电子学院张国和教授课题组和刘卫华教授课题组利用石墨烯的双极性特性和离子凝胶的离子导电性，提出了一种离子凝胶门控石墨烯突触晶体管来模拟突触的基本行为。在外加电场的作用下，介质层中的可移动离子迁移到电极上，在电解质/石墨烯沟道界面形成双电层（EDL），从而调节沟道中的载流子浓度。利用电容门控效应和载流子俘获效应的共同作用来实现突触的增强行为。成功地模拟了突触的基本功能，包括兴奋性突触后电流（EPSC）、脉冲幅度和持续时间对EPSC的影响、以及双脉冲易化（PPF）。

这项工作中制备的石墨烯突触晶体管中，离子凝胶层本身具有很大的柔韧性，且制造工艺与溶液法兼容，同时石墨烯也具有很好的柔韧性。因此这项工作可能会促进石墨烯突触晶体管未来在柔性电子学中的应用。

图1. （a）在相同的2 V脉冲幅度下，由不同脉冲持续时间触发的EPSCs随时间的变化。脉冲持续时间从100 ms增加到600 ms。插图：ΔEPSCs与脉冲持续时间的关系。（b）在相同的100 ms的脉冲持续时间内，由不同的脉冲幅度触发的EPSCs随时间的变化。脉冲幅度从0.5 V增加到3 V。插图：ΔEPSCs与脉冲幅度的关系。

Study of short-term synaptic plasticity in Ion-Gel gated graphene electric-double-layer synaptic transistors

Chenrong Gong, Lin Chen, Weihua Liu, Guohe Zhang

J. Semicond. 2021, 42(1): 014101

doi: 10.1088/1674-4926/42/1/014101

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/1/014101?pageType=en