特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
研究背景
神經形態計算是從人腦中汲取靈感的一種新興方法，為人工智能/機器學習提供低功耗硬件加速器。神經形態硬件的主要瓶頸是快速、穩定和可擴展的非易失性存儲元件，它還可以模擬生物神經網絡的突觸行為。莫爾量子材料通過扭曲二維異質結構中增強的內部庫侖相互作用來呈現奇異的電子現象。特別是，雙層石墨烯（BLG）/六方氮化硼（hBN）莫爾異質結構中的鐵電性脫穎而出，成為神經形態器件的潛在候選者。
關鍵問題
盡管進行了廣泛的探索，莫爾電子現象迄今為止仍僅限于不切實際的低溫，從而限制了莫爾量子材料的實際應用。2、基于BLG/和BN莫爾異質結構的室溫器件應用亟需驗證BLG/hBN疊柵鐵電性具有不對稱疊柵結構導致的本征電子起源，不對稱的莫爾勢景觀將系統分為局部子系統和流動子系統，兩個子系統之間的動態相互作用導致出現棘輪電子態，以適應滯后、非易失性電荷轉移。深莫爾勢和強大的內部庫侖相互作用使這些電子特性在高溫下得以保留，表明室溫器件應用是可能的。
新思路
有鑒于此，美國西北大學Mark C. Hersam、麻省理工學院Pablo Jarillo-Herrero和波士頓學院Qiong Ma等人報告了基于不對稱雙層石墨烯/六方氮化硼莫爾異質結構的低功率（20pW）莫爾突觸晶體管的實驗實現和室溫操作。不對稱的莫爾電勢會產生強大的電子棘輪態，從而實現控制器件電導的電荷載流子的滯后、非易失性注入。雙門控莫爾異質結構中的不對稱門控實現了多種生物逼真的神經形態功能，例如可重構突觸響應、基于時空的tempotron和Bienenstock-Cooper-Munro輸入特異性適應。通過這種方式，莫爾突觸晶體管可以實現高效的內存計算設計以及人工智能和機器學習的邊緣硬件加速器。作者首先考察了MST的基本特征，表明電子棘輪效應允許通過施加短VTG脈沖來連續調節電導，多個中間電導狀態的保留和耐久性表征表明了棘輪機制的非易失性本質。作者探究了基于BLG/hBN莫爾異質結構的突觸行為，表明MST可與大規模神經網絡的交叉陣列架構兼容且具有高噪聲容限。作者表明BLG/hBN莫爾異質結構的不對稱性實現了雙門控MST中獨特的可調性，VTG滯后地控制頂部BLG/hBN界面處的非易失性棘輪效應，而 VBG以類似于傳統BLG晶體管的方式可逆地控制電導通道。在Bienenstock-Cooper-Munro模型中證實了MSTs可以實現神經形態的輸入特異性適應，提供了一種高效和可擴展的解決方案，以緊湊的形式實現生物現實的神經調節計算模型。1、實現了基于BLG/hBN莫爾異質結構的莫爾突觸晶體管作者報告了基于BLG/hBN莫爾異質結構的莫爾突觸晶體管（MST）的實驗實現，MST可實現本征棘輪態，從而從電子自由度產生鐵電性，滯后電子棘輪導致非易失性電導狀態的室溫調節，具有獨特的門可調節突觸可塑性。憑借其底層棘輪機制，MST具有可與最先進技術相媲美的低功耗(20pW)，表現出高耐用性和多種狀態的保留，并且與交叉架構中的可擴展制造兼容。此外，MAT可以模仿生物穩態機制和輸入特定的適應，從而加速新興的神經網絡應用。作者首先考察了MST的基本特征。漏極電流(ID)隨頂柵偏壓(VTG)的變化表明單向電荷密度調制效應源自不對稱BLG/hBN 莫爾異質結構中的層對比電子態。特別是，頂部BLG/hBN界面處的長程莫爾電勢導致電荷局域化，而底部界面處的均勻電荷分布導致移動電荷傳輸。此外，電子棘輪效應允許通過施加短VTG脈沖來連續調節電導。在多個制造的器件中一致觀察到棘輪效應，并且可以通過控制六方氮化硼層的厚度和莫爾異質結構中的取向角來進一步改善器件之間的變異性。多個中間電導狀態的保留和耐久性表征表明了棘輪機制的非易失性本質。一個尖峰通過MST所需的功率約為20?pW，這與最先進的突觸器件（例如憶阻器、相變存儲器、磁性存儲器和電荷陷阱）相比毫不遜色。
圖 通過電子控制棘輪機構實現MST中的非易失性電荷注入棘輪效應使BLG/hBN莫爾異質結構能夠顯示類似的突觸行為，可以充當突觸晶體管。作者展示了一系列具有不同幅度的VTG脈沖，這些脈沖導致一系列突觸增強和抑制反應。此外，MST還與大規模神經網絡的交叉陣列架構兼容。使用MST突觸響應對多層感知器進行建模，即使設備之間和周期之間的變化為10%，手寫數字的識別率也超過85-90%。MST被建模為可以將輸入模式集成到輸出信號中的傳入神經，演示了tempotron的實用性。通過利用MST的可調LTP/LTD 可塑性，可以在tempotron中訓練兩個神經元，以響應輸入模式。為了測試tempotron的穩定性，將抖動噪聲（σpre）添加到輸入模式中，表明基于 MST的tempotron具有高噪聲容限。
除了VTG單獨促進的突觸功能外，BLG/hBN莫爾異質結構的不對稱性意味著VTG和底柵偏置(VBG)在雙門控MST中提供了獨特的可調性。由于BLG/hBN莫爾異質結構中兩個子系統之間的空間分離，VBG和VTG分別優先控制電導通道和莫爾定位位點。特別是，只有在棘輪狀態下，VTG才會誘導單向電荷注入電導通道。總之，VTG滯后地控制頂部BLG/hBN界面處的非易失性棘輪效應，而 VBG以類似于傳統BLG晶體管的方式可逆地控制電導通道。通過利用VTG和VBG的綜合效應，可以確定性地編程莫爾定位位點的占據和通道電導，從而實現MST突觸響應豐富且廣泛的可調性。
MSTs中VTG和VBG提供的對比控制可以實現神經形態的輸入特異性適應。在Bienenstock-Cooper-Munro模型中，采用雙向突觸閾值滑動來描述輸入特異性適應，適用于眼睛剝奪條件下視覺皮層的生物神經元。MSTs僅使用VTG和VBG就可以實現雙向的突觸閾值滑動，從而克服了傳統生物模型的限制。使用一個考慮了眼睛剝奪的聯想記憶模型證明了基于MST的輸入特異性適應，與傳統的雙端憶阻器相比，MSTs提供了一種高效和可擴展的解決方案，以緊湊的形式實現生物現實的神經調節計算模型?；贛ST交叉開關的神經突觸核心也有可能用作模擬存儲器和計算陣列，以更好地解決基于感覺的問題。
展望
總之，作者利用BLG/hBN莫爾異質結構來實現室溫MST。這些MST的電子棘輪特性提供了可調節的突觸響應，適用于基于神經形態尖峰的感知器和基于時空的速度傳感器。此外，BLG/hBN莫爾異質結構的空間不對稱性意味著雙門控MST中的頂門和底門分別對莫爾定位位點和通道電導提供差異控制，這使得雙向突觸閾值滑動成為可能，適合于實現神經形態硬件中的輸入特定適應。當與大面積、單晶二維材料生長技術和晶圓級對齊轉移方法的最新進展相結合時，MST具有在交叉架構中進行擴展的潛力，從而實現復雜的神經調節和仿生功能。Yan, X., Zheng, Z., Sangwan, V.K. et al. Moiré synaptic transistor with room-temperature neuromorphic functionality. Nature 624, 551–556 (2023).DOI：10.1038/s41586-023-06791-1 https://doi.org/10.1038/s41586-023-06791-1
