一種基于MXenes的自供電垂直摩擦晶體管VTT

具有檢測、識(shí)別和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)感知信息能力的感知-存儲(chǔ)-計(jì)算設(shè)備可以簡化傳統(tǒng)芯片中不同模塊之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲(chǔ)和操作，這對(duì)于在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代同時(shí)實(shí)現(xiàn)多樣化功能、簡單設(shè)計(jì)和高效計(jì)算具有重要的價(jià)值和吸引力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，福州大學(xué)陳惠鵬研究員等人開發(fā)了一種基于MXenes的自供電垂直摩擦晶體管（VTT），用于多感知-存儲(chǔ)-計(jì)算功能和多任務(wù)情感識(shí)別，該VTT將摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）和晶體管集成在單個(gè)器件中，具有垂直有機(jī)場效應(yīng)晶體管（VOFET）的簡單配置。

研究人員發(fā)現(xiàn)，摩擦電勢能夠調(diào)節(jié)絕緣層中的離子遷移和MXene/半導(dǎo)體界面處的肖特基勢壘高度，從而調(diào)節(jié)MXene和漏極之間的導(dǎo)電通道。同時(shí)，與單個(gè)TENG器件相比，感知靈敏度提高了711倍，VTT表現(xiàn)出優(yōu)異的多感知-存儲(chǔ)-計(jì)算功能。

重要的是，基于該功能，構(gòu)建了多感知融合和多模型情感識(shí)別，將情感識(shí)別準(zhǔn)確率提高到94.05%，并且具有可靠性。這種結(jié)構(gòu)簡單、自供電的VTT器件具有高靈敏度、高效率和高精度的特點(diǎn)，在未來人機(jī)交互、物聯(lián)網(wǎng)和先進(jìn)智能應(yīng)用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

在這項(xiàng)研究工作中，多感知-存儲(chǔ)-計(jì)算系統(tǒng)由幾個(gè)用于感知的傳感單元、用于傳遞信息的傳輸路徑以及用于存儲(chǔ)和計(jì)算的大腦組成。研究人員制造了基于TENG和VOFET的垂直摩擦晶體管器件（VTT），以實(shí)現(xiàn)多感知-存儲(chǔ)-計(jì)算功能。顯然，該VTT集成了TENG和VOFET的功能。

由于TENG器件和VOFET器件共享垂直結(jié)構(gòu)，所以該VTT具有沒有任何冗余層的VOFET配置。VTT由可移除Kapton襯底、可移除Au柵極、離子凝膠絕緣層、MXenes網(wǎng)絡(luò)源極、PDVT-10通道層和Au源極/漏極組成。通過柵極的移動(dòng)和VTT的振動(dòng)分別模擬觸覺和聽覺，并通過光敏Ti3C2Tx MXenes電極實(shí)現(xiàn)視覺感知。

多感知-存儲(chǔ)-計(jì)算系統(tǒng)示意圖，以及VTT的器件結(jié)構(gòu)及其形態(tài)特征

與集成TENG的傳統(tǒng)平面晶體管相比，研究人員所開發(fā)的VTT不僅提高了器件集成度，而且簡化了等效電路。VTT可以僅通過引出柵極和源極就可實(shí)現(xiàn)TENG的功能，而如果將外部電壓施加到源極-漏極上，則可以起到VOFET的作用。

TENG和VTT的電輸出和傳感特性

研究人員分別研究了TENG和VTT在模擬不同感官知覺時(shí)的靈敏度。結(jié)果表明，與單個(gè)TENG相比，VTT的觸覺靈敏度提高了711倍。對(duì)于每種感官知覺，VTT均表現(xiàn)出比單個(gè)TENG更高的靈敏度，這歸因于VOFET的放大、低亞閾值擺幅（SS）和高開/關(guān)比。

通過計(jì)算互相關(guān)函數(shù)，證明了多感知之間的存儲(chǔ)-計(jì)算，并且由于VTT的多感知集成特性，還模擬了上丘功能和人工刺激響應(yīng)系統(tǒng)。最后，研究人員實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于VTT的多模型情感識(shí)別系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)級(jí)模型融合實(shí)現(xiàn)了94.05%的情感識(shí)別準(zhǔn)確率。

多感知-存儲(chǔ)-計(jì)算模型與上丘功能模擬

多模型情感識(shí)別系統(tǒng)

總之，研究人員成功開發(fā)了一種多感知-存儲(chǔ)-計(jì)算器件，其在具有VOFET配置的單個(gè)器件中集成了TENG和晶體管。這種自供電多感知-存儲(chǔ)-計(jì)算器件具有（I）簡單的結(jié)構(gòu)和自供電功能、（II）高靈敏度、（III）高效率和轉(zhuǎn)換速度和（IV）高識(shí)別準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)概念驗(yàn)證工作在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)了觸覺/聽覺/視覺感知-存儲(chǔ)-計(jì)算，這有可能減少傳感器、存儲(chǔ)器和計(jì)算單元之間的數(shù)據(jù)移動(dòng)，并為腦啟發(fā)計(jì)算（brain-inspired computing）范式鋪平了道路。

審核編輯：劉清