近日，南開大學電子信息與光學工程學院光電子所徐文濤教授課題組聯合李躍龍副教授課題組，針對後摩爾時代關鍵器件能耗問題，首次提出基於室溫結晶鈣鈦礦半導體薄膜的超快響應人工突觸器件並深入研究了其背後的載流子遷移動力學。該研究以“A Bioinspired Flexible Neuromuscular System Based Thermal-Annealing-Free Perovskite with Passivation”為題發表在國際著名學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。

　　相較於傳統矽基計算機，得益於存-算一體的架構和分布式處理的邏輯，人腦隻需更低能耗便可解決相同的處理任務。因此，類腦計算成為打破後摩爾時代瓶頸的最佳解決方案之一，人工突觸是類腦仿生係統組成和功能的基礎單位器件，其運行速度和能耗大小對係統性能有著舉足輕重的影響。

　　徐文濤教授團隊和李躍龍副教授團隊共同提出一種無需退火工藝的鈣鈦礦基柔性人工突觸器件，通過新的全室溫結晶鈣鈦礦半導體有源層解決方案，得到高質量00l取向鈣鈦礦薄膜，規範了載流子遷移路徑，輔以鈍化工藝，進一步減小空位等缺陷密度，成功打破了兩端突觸器件的最低能耗世界紀錄，實現了每次脈衝尖峰下13.5aJ（即不到一粒大米熱量的1/1018）的超低能耗和高達4.17MHz的超快穩定響應頻率。

上圖：a 理論預測室溫鈣鈦礦中載流子的遷移路徑；b DFT計算不同路徑下I-空位遷移活化能；c 自研改裝原位麵電勢測試裝置；d，e 離子遷移前後鈣鈦表麵電勢；f 突觸器件興奮性後電流；g 器件能耗可重複性驗證；h，i 與其他先進研究成果的對比；j 超高頻率下的突觸脈衝尖峰速率依賴可塑性(Spike-rate-dependent plasticity)研究。

　　在成功實現塑性調節、邏輯運算、時空關聯信息處理和關聯學習等重要神經功能的基礎上，團隊成功以此器件為信息處理核心，構建了具有肌肉疲勞感知功能的神經肌肉係統（Neuromuscular System），對外周神經反射弧修複再生、神經形態軟體機器人以及物理智能（Physical Intelligence ，PI）等領域發展具有重要意義。

　　該論文第一作者為光電子所劉甲奇和龔江東兩位博士生，徐文濤教授、李躍龍副教授為論文共同通訊作者。該研究工作獲國家傑出青年科學基金、科技部重點研發計劃、天津市傑出青年科學基金，國家自然科學基金等支持。（電子信息與光學工程學院供稿）