基于Kagome半导体Nb3Cl8中范霍夫奇点实现模拟ReLU激活的场效应晶体管研究

这篇研究创新性地利用Kagome半导体Nb3Cl8的范霍夫奇点（vHs）诱导的高态密度（DOS），在低温下实现了类整流线性单元（ReLU）的模拟激活函数。通过六方氮化硼（h-BN）界面修饰成功抑制电荷陷阱，首次在室温获得无滞回、高线性度的晶体管特性，为模拟深度学习加速器的硬件设计提供了新范式。

　　

1 引言

随着人工智能对高效计算需求的激增，基于场效应晶体管（FET）的模拟计算因其能耗优势成为数字处理的有力替代方案。研究聚焦于通过物理机制实现整流线性单元（ReLU）激活函数——其分段线性特性对梯度传播至关重要。传统FET因态密度（DOS）在带隙边缘的渐变特性导致传输曲线非线性，而Kagome半导体Nb₃Cl₈中由平带诱导的范霍夫奇点（vHs）可产生陡峭的DOS跃迁，理论上能实现理想的线性响应。

2 结果与讨论

2.1 SiO₂基底Nb₃Cl₈ FET的电输运与滞回效应

Nb₃Cl₈晶体通过呼吸Kagome晶格形成分立的上下哈伯德带（UHB/LHB），ARPES证实其vHs特征。低温（150K）下FET传输曲线呈现显著分段线性，但室温时因界面电荷陷阱产生滞回。温度依赖实验揭示滞回源于Nb₃Cl₈-SiO₂界面的热激活陷阱态，通过引入h-BN缓冲层可有效抑制，使室温开关比达10³。

关键机制

量子电容（C_Q）与几何电容（C_G）的竞争关系决定传输线性度：vHs诱导的DOS尖峰使C_Q?C_G，驱动总电容C_total趋近C_G，从而获得 Shockley方程描述的线性I_ds-V_g关系。该工作为利用强关联材料电子态设计神经形态硬件开辟了新途径。