【摘 要】
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神经形态计算旨在模拟生物大脑和感知神经系统的信息处理方式,构建一个能够自主学习和具备认知功能的超低功耗智能计算机。突触、神经元和感觉接收器是生物计算系统处理信息的基本单元。因此,神经形态计算硬件实现的第一步就是研制出具有突触、神经元或感觉接收器功能的神经形态器件。新型神经形态器件凭借单个器件就能实现复杂的神经形态功能,其中电解质栅晶体管（Electrolyte Gated Transistors,
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神经形态计算旨在模拟生物大脑和感知神经系统的信息处理方式,构建一个能够自主学习和具备认知功能的超低功耗智能计算机。突触、神经元和感觉接收器是生物计算系统处理信息的基本单元。因此,神经形态计算硬件实现的第一步就是研制出具有突触、神经元或感觉接收器功能的神经形态器件。新型神经形态器件凭借单个器件就能实现复杂的神经形态功能,其中电解质栅晶体管（Electrolyte Gated Transistors,EGTs）在模拟神经形态功能方面具有巨大潜力。一方面,EGTs的栅介质材料中含有大量可移动的离子,能够在栅电场作用下有效调控沟道电导。这一特性,不仅和生物体通过离子传输信号的过程相似,适合模拟生物神经形态功能,还赋予了EGTs较低的工作电压和能耗。另一方面,侧栅结构的EGTs器件具备可扩展的多输入模式,适合模拟时空相关的复杂神经形态功能。当下,人类社会正在迈入智能感知时代,开发柔性、便携可穿戴的智能仿生传感和感知器件也是研究热点。基于生物高聚物电解质的柔性自支撑EGTs器件具有超高的灵敏度,适合用于机器人、电子皮肤等神经形态智能感知系统中。本论文制备了自支撑氧化物双栅EGTs器件,构筑了人工疼痛感受器,进行了突触高阶可塑性的模拟,具体包括以下内容:（1）以壳聚糖电解质膜为栅介质层和自支撑的柔性衬底,制备了铟锌氧（IZO）侧向双栅EGTs器件。壳聚糖电解质膜表面粗糙度低（～2.4 nm）、可见光透过率高（～80%）、内部含有大量有利于质子传导的羟基和羧基、在低频时具有10μFcm-2左右的双电层电容（Electrical Double Layer Capacitance,EDLC）。对壳聚糖自支撑的IZO EGTs器件进行了转移特性曲线测试,结果表明器件工作电压低、具备有利于实现神经形态功能的逆时针回滞。器件的阈值电压、亚阈值摆幅、开/关比和场效应迁移率分别为0.5 V、114.4 m V/decade、9.8×106和7.6 cm2V-1S-1。此外,弯曲测试不会造成器件电学性能的明显退化。（2）使用壳聚糖自支撑的IZO EGTs器件,制备了人工疼痛感受器。在输入端施加电脉冲模拟生物疼痛感受器所经历的外围刺激,脉冲响应电流视为疼痛感受器的响应信号。设置10 n A的基准电流线,基于电解质中质子的累积动力学和质子较慢的弛豫过程,可实现疼痛感受器的阈值特性（1.0 V）、不适应特性、敏化特性和放松特性。额外引入一个调控端,可通过双栅协同工作模式调控质子动力学从而实现疼痛感受器的可调敏感性,具体体现在可调节的疼痛阈值特性（0.4V～1.4 V）、敏化特性和放松过程中的敏感性。（3）使用壳聚糖自支撑的IZO EGTs器件,模拟了突触的超塑性行为。基于器件的双栅结构,首先在一个栅极上施加预先脉冲刺激以模拟能够引起超塑性行为的突触预先活动,间隔一段时间后,在另一个栅极上施加能够引发突触短时程塑性的主要脉冲刺激。结果表明,预先脉冲刺激可以有效调控突触的单脉冲响应（EPSC峰值可被调控在2 n A～140 n A之间）、双脉冲响应（双脉冲A2/A1比例可被调控在0.5～2.5之间）以及多脉冲响应（EPSC增益可被调控在0.2～5.0之间）,模拟了突触超塑性对突触短时程塑性的调控行为。并基于质子弛豫时间和初始突触权重的关系,对可调制的突触抑制和突触增强效应进行了详细解释。
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