β-Ga2O3人工轴突-多突触系统中的突触动态各向异性研究及其在神经形态学应用中的应用

《Journal of Materials Science & Technology》：Synaptic dynamics anisotropy in β-Ga 2O 3 artificial axon-multi-synapse for neuromorphic applications

　　

• •
  由于取向依赖的氧空位捕获动力学，β-Ga₂O₃表现出不同的突触强度和可塑性，从而实现了一个集成型轴突-多突触装置。
• •
  单芯片薄膜上的突触通道数量增加了三倍，通道间的突触各向异性超过了900%。
• •
  方向依赖的突触动力学能够实现时空编码和超过98%准确度的六方向运动识别。

引言

神经形态计算作为一种受生物神经系统启发的计算架构，因其独特的低功耗和并行处理优势而备受关注。在神经形态计算中，突触作为神经元之间的基本功能连接，通过突触可塑性来控制信号传递的强度和时间动态[[1], [2], [3]]。对人类和动物大脑中数千个神经元以及数亿个突触连接进行微观重建和系统分析的研究表明，某些神经元至少包含一个树突连接单元，能够接收七个或更多的突触输入[[4], [5], [6], [7], [8], [9]]。这种轴突-多突触结构使得单个神经元能够同时接收并整合来自多个路径的信号。通过空间并行传输和时空协调的调节，它增强了信息编码、模式识别以及对复杂环境的适应性，从而促进了适应性学习以及感知、运动控制和认知过程的整合（图1(a)）。

在生物神经系统中，轴突-多突触连接的内在异质性主要源于突触间的受体类型和密度、离子通道动力学、神经递质响应阈值以及短期和长期可塑性的差异（图1(b)）。在人工突触装置中复制这种内在异质性对于构建具有类似大脑复杂性的神经形态硬件至关重要。然而，大多数现有的人造突触材料本质上是均匀的，因此大多数先前报道的人造神经元依赖于轴突-单突触结构。尽管这样的结构可以模拟基本的突触可塑性，但它们缺乏生物神经系统所具有的多分支、多通道协同调节能力，从而限制了它们进行高度并行信息传输和复杂任务处理的能力[[10], [11], [12], [13], [14]]。最近关于各向异性二维材料（如黑磷、ReS₂、MoS₂和WSe₂）的研究为通过利用晶体取向依赖的电荷传输来模拟轴突-多突触系统提供了新的机会[[15], [16], [17], [18]]。然而，这些材料存在一些固有的局限性，包括制造要求复杂和可扩展性有限，这阻碍了它们在大型神经形态计算应用中的实际使用。

β-Ga₂O₃以属于C2/m空间群的低对称单斜晶系结晶（图1(c)），不同的晶体取向表现出明显的原子排列、氧空位形成和迁移行为以及光学转变概率的变化[[19], [20], [21], [22], [23]]。此外，β-Ga₂O₃中容易形成氧空位（V_O），其浓度可以通过生长条件、退火气氛和光激发进行有效调控。这些缺陷状态在电或光刺激下表现出多尺度载流子捕获和释放动态，这与生物突触中神经递质的动态调节非常相似，因此为在人工装置中实现突触可塑性提供了关键的物理基础[[24], [25], [26], [27], [28]]。同时，β-Ga₂O₃具有大约4.8 eV的超宽带隙，其内在吸收边缘位于深紫外区域（<280 nm）。这一特性使得基于β-Ga₂O₃的光电子器件无需复杂的光学过滤即可实现阳光盲检测，为高信噪比紫外检测、空间通信和安全成像应用提供了显著优势[[29], [30], [31], [32], [33], [34]]。通过利用β-Ga₂O₃的各向异性、突触可塑性和阳光盲光响应，可以在单层薄膜上集成多个人工突触（图1(d)），从而实现具有复杂功能（如运动检测）的轴突-多突触系统（图1(e)）。

在这项工作中，我们首次系统研究了β-Ga₂O₃的取向依赖突触动力学，并实现了一个集成型轴突-多突触装置。然后在单个β-Ga₂O₃薄膜上构建了沿不同晶体取向排列的三对电极通道，从而实现了三个基本人工突触的单片集成。每个通道都展示了取向可编程的短期记忆（STM）和配对脉冲促进（PPF），电流各向异性比率高达900%。此外，该集成装置还被应用于手写字母识别。结果表明，沿不同晶体取向制造的突触通道在学习行为、权重更新特性和识别准确性方面表现出显著差异，表明β-Ga₂O₃的内在各向异性能够赋予装置取向依赖的计算能力。该系统进一步扩展到了更复杂的神经形态运动识别任务。这项工作为将材料内在异质性引入人工光电子神经形态系统提供了一种新策略，并为高性能的脑启发式感知和计算设备的发展奠定了重要基础。

章节片段

结果与讨论

如图2(a)所示，β-Ga₂O₃薄膜是使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法在c-Al₂O₃基底上生长的。X射线衍射（XRD）分析确认β-Ga₂O₃薄膜沿

材料和装置的制备

β-Ga₂O₃薄膜是使用高纯度液态Ga和O₂作为前驱体，通过PECVD方法在c-plane Al₂O₃基底上沉积的。生长完成后，通过阴影掩模的热蒸发制备了圆形Ag电极。沿不同晶体取向排列了三对电极，以定义具有取向依赖传输特性的三个突触通道。详细信息见支持信息。

结构和电学特性

β-Ga₂O₃薄膜的晶体结构是

利益冲突声明

作者声明没有竞争财务利益。

CRediT作者贡献声明

朱浩：撰写——原始草案，验证，资金获取，数据管理，概念构建。徐宇涵：监督，软件。吴超：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，形式分析，概念构建。胡海正：项目管理，资金获取，形式分析。王顺莉：监督，项目管理，资金获取。吴峰民：监督，资金获取。郭道友：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号62304205, 52300145, 62274148, 62374147, 62564011, U23A20349, 和 62564011）、浙江省自然科学基金（编号LQ24F040002 和 ZCLQN26F0403）、浙江科技大学科学基金（编号25062169-Y）、杭州市自然科学基金（编号2024SZRZDF040001）以及内蒙古自治区自然科学基金青年科学家基金（A类）的支持。

朱浩|徐宇涵|吴超|胡海正|王顺莉|吴峰民|刘增|郭道友