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人工智能（AI）已被广泛应用于计算机科学、医疗保健、制造、通信和运输，被认为是最有前途的技术领域之一，人工神经网络作为人工智能的基础，使用冯·诺依曼架构中的传统计算机构建神经网络比人脑消耗更多的能量，因此有必要基于人工突触设备构建神经网络，以减少能量消耗并简化电路。

目前，突触晶体管已被开发用于实现学习和记忆功能。在晶体管中栅极作为突触前膜，源极和漏极电流作为突触后膜的输出。与生物学中的突触结构非常相似，在生物学上，不同的突触后膜具有不同的受体成分或由其他生理或病理因素引起的受体敏感性差异，导致对一个突触前膜的相同神经信号的不同反应。福州大学陈惠鹏教授团队通过使用MicroFab Jetlab II喷墨打印系统在单片晶圆上制备了晶体管阵列，模拟了一个突触前膜和多个突触后膜的突触行为实现一对多的神经反应。

▲ 图1 （a） 具有单个前突触和多个后突触的生物突触示意图；（b） 突触晶体管的器件结构；打印的PDVT-10通道的AFM图像，液滴间距为80μm（c）和140μm（d）。

图1a展示了具有单个突触前膜和多个突触后膜的模型。神经递质从突触前膜释放出来，然后被多个突触后膜的受体接收，受体打开突触后膜的离子通道，调节突触后电流。器件结构如图1b所示，其中突触晶体管集成在单个晶圆上，通过在喷墨打印过程中调整液滴间距，可以使每个通道对电流的响应不同。图1c和1d为PDVT-10薄膜的AFM图像，液滴间距分别为80μm（图1c）和140μm（图1d）。

▲ 图2 （a）喷墨打印原理图；（b）Trap密度随液滴间距的不同而变化，通过正向扫描转移曲线计算，插图是一个突触晶体管在80μm液滴间距下的双扫描曲线；（c）通道电流在脉冲后发生的变化；（d）在去除栅极电压之后，时间常数随着液滴间距的增大而减小；（e）具有不同液滴间距的标准化ΔEPSC；（f）标准化ΔEPSC作为不同液滴间距下δt的函数。

为了调节突触晶体管的电学特性，液滴间距是这里的关键参数，图2a是该工艺的原理图，通过控制喷头的运动速度和喷射墨滴的频率来获得不同的液滴间距。图2b将D_t表示为液滴间距的函数，其中D_t随液滴间距的增大而减小，从而导致突触性能的变化。当施加正脉冲栅极电压时，通道的电流增强，称为兴奋性突触后电流（EPSC），如图2c所示。当电压移除时，EPSC将随时间呈指数衰减，由图2d可以看出，EPSC的时间常数随着液滴间距的增大而减小，说明液滴间距越大，EPSC的衰减速度越快。为了表征器件的多突触性能，在器件上施加相同的栅极电压，然后读取不同通道的源漏电流。在该突触晶体管阵列中，∆EPSC（峰值EPSC减去初始电流与后者的比率），相同栅极电压（10V）下，随着每个单独通道中栅极电压的持续时间（δt）而增加，并随着液滴间距的增加而减小，如图2f所示。

在相同δt（30ms）下，∆EPSC也与栅极电压正相关，与液滴间距负相关，如图2e所示。总体而言，所制备器件的∆EPSC随着液滴间距的增加而固定降低。

▲ 图3 （a）将两个连续的5V脉冲施加到晶体管以产生增量EPSC，定义PPF＝A2/A1；（b）对晶体管施加30个连续10V脉冲的EPSC；（c）PPF随两个脉冲的间隔时间和液滴间距的变化而变化；（d）以不同的液滴间距去除脉冲之后的电流。

对脉冲促进指数（PPF）反映了前者对后者在一对脉冲中的影响，通常随着两个脉冲之间的时间间隔的增加而减小，并在每个单独的通道中观察到。同时，PPF的比值也随着液滴间距的增大而减小，如图3a和3c所示。施加不同脉冲后的保持性能也是一个重要的参数。如图3b所示，向突触晶体管阵列施加30个10V脉冲，并研究去除脉冲后的电流（图3d），可以看出，随着液滴间距的减小，可以实现短时程可塑性（STP）到长时程可塑性（LTP）。

▲ 图4 （a）厚度随着液滴间距的增大而减小；（b）两个扫描方向上的阈值电压随液滴间距而变化；在栅极电压下捕获电子的机制，以较小的液滴间距（c）和较大的液滴间距（d）。

液滴间距的增加将改变突触晶体管的性能，当我们增加液滴间距时，沉积的溶液会减少，从而导致薄膜变薄。如图4a和4b所示，打印的薄膜厚度随着液滴间距的增大减小，薄膜的厚度决定了自由载流子浓度，这会影响阈值电压。随着打印的液滴的间距减小，沉积更多的溶液，然后蒸发形成更多的气体。溶液蒸发过程中产生的气体将产生孔隙，在薄膜中形成陷阱。因此，液滴间距的增加将在薄膜中产生更少的孔隙，从而减少陷阱，导致晶体管迟滞（Vth）和突触行为的变化。捕获电子影响突触性能的机制如图4c和图4d所示，PDVT-10以不同的液滴间距打印在SiO₂上，这在PDVT-10薄膜中产生了陷阱。因此较大的陷阱密度意味着更大的D_t（E）和相关E，导致陷阱的能级更深，这会在更长的时间内影响通道电流，从而导致更大的τ，更大的PPF和更大的可塑性。相反，当PDVT-10在较大的液滴间距下打印时，D_t更小，陷阱能带更浅，导致EPSC、τ和PPF降低，可塑性更小。

喷墨打印是一种高效的溶液处理工艺，在电子科学领域有着广泛的应用，能够制造出具有大面积复杂图案化薄膜和低单位面积成本的电子器件，通过使用MicroFab Jetlab II喷墨打印技术，调节喷墨打印过程中的液滴间距，制备了具有不同突触性能的突触晶体管阵列，以模拟突触前膜和多个突触后膜的场景。喷墨打印是一种简便制备对同一刺激具有不同响应的晶体管阵列的方法，研究发现液滴间距越小，突触后反应越强，包括EPSC、PPF指数和保持性能。这为构建下一代结构简化的人工神经网络提供了一种新的方法。

参考文献：