莫爾材料，是通過堆疊二維原子晶體所形成的一類具有新奇強關(guān)聯(lián)和拓撲物性的新型低維量子材料體系。與傳統(tǒng)量子材料不同的是，莫爾材料擁有豐富的量子態(tài)（例如，關(guān)聯(lián)絕緣體、軌道磁性、界面鐵電性等），可被電場、光場、應力場等外場進行調(diào)控。這使得莫爾材料不僅成為了物性探索的新型理想平臺，而且在莫爾電子器件應用方面展現(xiàn)出巨大的潛力。目前的相關(guān)研究主要集中在莫爾材料中新型量子態(tài)的探索與調(diào)控方面，如何利用莫爾材料的獨特量子態(tài)與調(diào)控規(guī)律設計莫爾電子器件是一個廣泛關(guān)注的議題。面對上述機遇與挑戰(zhàn)，南京大學物理學院梁世軍、繆峰教授團隊聯(lián)合南京理工大學程斌教授團隊，以“原子樂高”的方式搭建了六方氮化硼與雙層石墨烯對齊的莫爾超晶格異質(zhì)結(jié)，首次實現(xiàn)了可模擬生物突觸短時可塑性與長時可塑性的莫爾突觸晶體管（Moiré synaptic transistor）。進一步，合作團隊基于莫爾突觸晶體管的動力學高度可調(diào)諧的特性，提出了能夠執(zhí)行同質(zhì)架構(gòu)儲備池計算的全莫爾物理神經(jīng)網(wǎng)絡（Full-moiré physical neural network， MPNN ）。該工作為莫爾電子學的未來發(fā)展提供了重要思路。相關(guān)研究成果以“Moiré synaptic transistor for homogeneous-architecture reservoir computing”（用于同質(zhì)架構(gòu)儲備池計算的莫爾突觸晶體管）為題于北京時間2023年10月12日在線發(fā)表在Chinese Physics Letters的Express Letters專欄上（文章鏈接：iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/11/117201）。南京大學物理學院繆峰教授、梁世軍副教授與南京理工大學理學院程斌教授為論文的共同通訊作者，南京大學物理學院博士生王鵬飛與陳墨雨為論文的共同第一作者。該工作得到了國家優(yōu)秀青年科學基金、國家自然科學基金重點/面上項目、中科院先導B項目、中央高校基本科研業(yè)務費、以及固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。在這項工作中，合作團隊首先利用二維材料異質(zhì)結(jié)轉(zhuǎn)移技術(shù)人工搭建了基于六方氮化硼封裝的雙層石墨烯莫爾突觸器件，其中由六方氮化硼與石墨烯晶格對齊產(chǎn)生的電場可調(diào)的莫爾勢場，與生物神經(jīng)系統(tǒng)中的信號刺激引發(fā)的突觸可塑性具有一定的相似性（圖1a-d）。合作團隊發(fā)現(xiàn)，由于可調(diào)外加電場與莫爾勢場的疊加，雙層石墨烯的轉(zhuǎn)移特性曲線展現(xiàn)出柵壓可控的記憶窗口（圖1e-f）。并且，當柵壓超過某個閾值電壓后，記憶窗口開始出現(xiàn)（圖1g），這標志著器件從易失向非易失存儲行為的轉(zhuǎn)變。器件的這一可調(diào)記憶特性能夠被用來模擬生物突觸功能。
圖1：莫爾突觸晶體管。（a）生物神經(jīng)網(wǎng)絡及突觸示意圖。由神經(jīng)元所發(fā)放的尖峰信號的強度會影響突觸后膜電流的變化行為，弱的信號會激發(fā)短時可塑性行為(STP)，強的信號會激發(fā)長時可塑性行為(LTP)。（b）由六方氮化硼與石墨烯晶格對齊產(chǎn)生的電場可調(diào)的莫爾勢場示意圖。在弱電場作用下，淺莫爾電勢對電子分布實現(xiàn)短時調(diào)制；在強電場作用下，深莫爾勢將電子強烈局域于石墨烯上層，實現(xiàn)長時調(diào)制。（c-d）基于莫爾異質(zhì)結(jié)的突觸晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和光學圖。（e）莫爾突觸晶體管在±4 V掃描范圍下的轉(zhuǎn)移特性曲線。（f）莫爾突觸晶體管在±12 V掃描范圍下的轉(zhuǎn)移特性曲線，展示出明顯的記憶窗口。（g）記憶窗口大小與掃描電壓范圍的關(guān)系。合作團隊進一步研究了莫爾突觸晶體管在不同外電場刺激下所呈現(xiàn)出的電流響應特性。在強度較低的柵壓脈沖刺激下，莫爾突觸晶體管的電流增大并在撤去脈沖后的一定時間內(nèi)，弛豫回初始狀態(tài)，表現(xiàn)為短時記憶的特性（圖2a）。同時，莫爾突觸晶體管也能夠模擬生物突觸的雙脈沖異化行為（圖2b-c），表現(xiàn)出豐富的突觸動態(tài)特性。合作團隊進一步研究了莫爾突觸晶體管對各種外部刺激（不同脈沖幅值、寬度、數(shù)量）的動態(tài)響應（圖2d-f），結(jié)果表明莫爾突觸晶體管具有穩(wěn)定、可重復、可分辨的動力學特性，能夠有效區(qū)分不同的輸入信號，從而可用于實現(xiàn)物理儲備池計算系統(tǒng)。而在強度較高的柵壓脈沖刺激下，莫爾突觸晶體管的電導出現(xiàn)了非易失的增強或抑制，實現(xiàn)了從短時可塑性到長時可塑性的行為轉(zhuǎn)變（圖3a-b）。同時，合作團隊發(fā)現(xiàn)，莫爾突觸晶體管的電導在脈沖序列作用下可以實現(xiàn)大范圍連續(xù)調(diào)控（圖3c），并且具有良好的多態(tài)保持特性（圖3d），從而可以作為典型的權(quán)重器件。
圖2：短時可塑性的實驗模擬。（a）莫爾突觸晶體管對短時記憶行為的模擬。（b-c）莫爾突觸晶體管對雙脈沖異化行為的模擬及雙脈沖異化指數(shù)隨施加脈沖間隔的變化關(guān)系。（d-f）在不同強度的外部刺激下（改變施加脈沖的幅值、寬度、數(shù)目），莫爾突觸晶體管的動態(tài)電流變化展現(xiàn)出可分辨的動力學行為。
圖3：長時可塑性的實驗模擬。（a-b）莫爾突觸晶體管對長時增強和長時抑制行為的模擬，展示出長時記憶特性。（c）莫爾突觸晶體管基于脈沖序列作用下的電導連續(xù)調(diào)控。（d）莫爾突觸晶體管中8個電導狀態(tài)的時間保持特性。每個狀態(tài)在1000秒內(nèi)均不會出現(xiàn)明顯退化。在此基礎上，合作團隊提出了用于執(zhí)行同質(zhì)架構(gòu)儲備池計算的全莫爾物理神經(jīng)網(wǎng)絡（圖4a），其中儲備池層和讀出層均由高度可調(diào)諧的莫爾突觸晶體管所構(gòu)建。作為概念驗證演示，合作團隊基于實驗數(shù)據(jù)展示了莫爾物理神經(jīng)網(wǎng)絡對MNIST手寫數(shù)字的識別模擬。在儲備池狀態(tài)讀取過程中，基于器件魯棒的動力學特性，合作團隊開發(fā)了一種混合采樣的模式(圖4b-c)，即在不同的儲備池節(jié)點上配置不同的采樣時刻，從而可以實現(xiàn)對更多特征的有效提取（圖4d-f）。該工作是石墨烯莫爾材料用于神經(jīng)形態(tài)計算的初次嘗試，為莫爾電子學的未來發(fā)展開辟了一條重要的技術(shù)路線。
圖4：全莫爾物理神經(jīng)網(wǎng)絡。（a）用于執(zhí)行同質(zhì)架構(gòu)儲備池計算的莫爾物理神經(jīng)網(wǎng)絡的示意圖，其包含由同一類的莫爾突觸晶體管構(gòu)建的儲備池層和讀出層。（b）以施加編碼后的“1100”和“0011”時域信息脈沖序列為例，展示了莫爾突觸晶體管作為儲備池節(jié)點對時域信息的處理，其中不同采樣時刻讀取的電流值可作為儲備池狀態(tài)。（c）兩種不同采樣時刻下的讀出的16種輸入序列下的儲備池狀態(tài)分布。（d）讀出層訓練完成后的權(quán)重狀態(tài)分布。（e）基于不同采樣模式獲取的儲備池狀態(tài)的訓練周期與識別率關(guān)系。基于混合采樣模式下的識別率可達到90.8%。（f）訓練完成后的測試集識別結(jié)果。
