1．文章导读

随着人工智能的高速发展和大数据时代到来，数据的爆炸式增长对计算机硬件和系统提出了更高的要求。受生物神经系统启发的神经形态技术有望成为打破冯·诺依曼瓶颈的方法之一。压电神经形态器件通过压电势调节电学输运特性，并以主动的方式将外部机械运动与电学输出信号直接关联，具有感知、存储、处理外部刺激信号的能力。这些新兴的神经形态器件在利用压电（电子学）效应激活和调控人工神经形态行为方面具有重要意义。

近期，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、孙其君研究员等在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《压电电子学神经形态器件：原理、制造及应用》的综述，系统介绍了压电（电子学）神经形态器件，（包括应变门控压电晶体管和压电纳米发电机（PENG）门控场效应晶体管），并讨论了它们的工作机理和相关的制造技术。其次，总结了近年来压电（电子学）神经形态器件的研究进展，并对多功能应用进行了详细讨论，包括仿生传感、信息存储、逻辑计算、光电人工突触等方面。最后，在未来的发展、挑战和展望的背景下，讨论了如何更有效地调制具有压电（电子学）效应的新型神经形态器件和系统。该综述探讨的压电电子学神经形态器件对于下一代交互式感觉/记忆/计算具有巨大的潜力，有助于推动物联网、人工智能、生物医学工程等领域的发展。

关键词：

压电电子学；神经形态器件；应变门控晶体管；压电纳米发电机；突触晶体管

文章亮点：

•介绍了压电电子学神经形态器件的工作机理和相关的制造技术；

•综述了近年来压电电子学神经形态器件在多功能应用方面的研究进展；

•讨论了利用压电电子学效应调制新型神经形态器件所面临的挑战和前景。

图1 压电电子学神经形态器件的结构及应用概述。

2．研究背景

压电效应是指某些材料在受到机械压力或振动时，其表面电荷分布不均匀，从而产生电位差的现象。基于压电半导体中压电效应和半导体效应的结合，晶体内部的压电电势可以作为“栅”电压来调制金属-半导体界面（或p-n结、异质结、同质结）上的电荷输运，这与传统的压电效应和互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管不同，即王中林教授在2007年所提出的“压电电子学”这一新兴学科和颠覆性技术。此外，压电纳米发电机（PENG）作为一种以麦克斯韦位移电流为驱动力可感知机械刺激并收集机械能的前沿技术，为构建各种自供电传感系统提供了可行性。通过将PENG与场效应晶体管（FET）相耦合，PENG的内部压电势可以直接调制晶体管沟道中的载流子。如图1所示，我们根据器件的结构将压电（电子学）神经形态器件分为两类进行介绍，包括应变门控压电晶体管和PENG门控场效应晶体管。其中应变门控压电晶体管直接利用压电半导体作为沟道材料，而PENG门控晶体管则将压电电势与各种场效应晶体管器件耦合，实现更多样化的应用。

3．最新进展

图2展示了压电（电子学）神经形态器件的里程碑性进展的时间轴。自2006年基于ZnO 纳米线阵列的PENG被提出以来，压电电子学研究领域得到了持续而广泛的发展。本文综述了近年来压电（电子学）神经形态器件的研究进展，并对压电（电子学）神经形态器件的结构、工作机理和制造技术进行了详细的讨论。该综述还介绍了基于压电（电子学）神经形态器件的多功能应用，包括多感官感知、存储、逻辑计算和光电突触等。最后，在未来发展挑战和展望的背景下，进一步讨论了如何更有效地调节具有压电（电子学）效应的新型神经形态器件。

图2 压电（电子学）器件的里程碑性进展的时间轴。（a）基于ZnO的PENG。经许可转载。版权所有(2006) ，美国科学促进会。（b）布尔逻辑器件。经许可转载。版权所有（2010）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（c）触觉成像阵列。经许可转载。版权所有(2013) ，美国科学促进会。（d）电致发光成像阵列。经许可转载。版权所有（2013）Springer Nature。（e）MoS2基压电器件。经许可转载。版权所有（2014）Springer Nature。（f）PENG门控晶体管。（g）二维ZnO纳米颗粒阵列。经许可转载。版权所有（2017）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（h）柔性声传感器。（i）人工感觉突触。（j）智能电源装置。CC BY 4.0。（k）细胞牵引成像阵列。（l）仿生视觉假体。

图3 压电（电子学）效应和压电势调制原理。（a-b）在拉伸和压缩应变下金属-半导体（n型）接触的压电势。（c-d）在拉伸和压缩应变下p-n结的压电势。（e-f）PENG门控场效应晶体管的工作机理。

压电（电子学）神经形态器件的纳米功能材料的制造 活性纳米材料的两种主要制造方法，包括“自下而上”和“自上而下”方法。自下而上的方法是从原子/分子开始以自组装的方式在基底上生长所需的纳米材料和结构，常用的自下而上方法包括湿化学合成和化学/物理气相沉积。自下而上的制造方法能够生长大规模纳米材料，但它也存在一些缺点，例如目标材料的高度、直径和成分不均匀。自上而下的制造工艺是指通过一系列薄膜沉积、光刻和蚀刻技术在基底（或本体材料）上直接制备所需的纳米结构，被广泛应用于二维晶体管等器件的制备中。

压电（电子学）神经形态器件的感-存-算等神经形态应用 将压电（电子学）效应与半导体器件耦合的新兴技术在即将到来的智能时代显示了神经形态应用的巨大潜力。基于不同器件结构实现的仿生感知/传感（图4和5）、信息存储和计算、人工突触（图6）等功能无疑是压电（电子学）神经形态器件应用中的重点研发方向。

图4 用于触觉感知的压电（电子学）器件。（a）基于ZnO 纳米线的两端应变门控垂直压电晶体管的原理图。（b）92×92压电晶体管阵列的拓扑图。（c）在晶体管阵列上施加字母A形状的六个法向应力后的电流响应等高线图。（d）基于AlGaN/AlN/GaN异质结晶体管的SPD示意图。（e）不同应变下SPD的输出曲线。（f）SPD的输出功率密度与加速度的关系。（g）使用ZnO TFT的触觉传感示意图。（h）不同施加力下阵列的输出电流变化曲线。（i）用TFT阵列测量剪切力。

图5 PENG门控晶体管。（a）PENG门控石墨烯FET的示意图。（b）有源矩阵应变传感器阵列的示意图及输出电流分布。（c）在PENG的应变下FET的输出特性。（d）拉伸和压缩应变下FET的动态电流响应。（e）应变传感器的灵敏度特性。（f）压电电位编程非易失性存储阵列和应变下的输出特性。（g）压电势编程存储器的多级存储/擦除步骤。（h）压电石墨烯势垒晶体管的截面示意图。（i）不同组合的PENG应变下，压电石墨烯势垒晶体管的实时电流密度。

图6 用于电学人工突触的压电电子学器件。（a）人类感觉神经系统示意图。（b）压电石墨烯人工感觉突触的器件结构。（c）不同拉伸应变下的EPSC。（d）基于NKN薄膜的自供电人工神经突触。（e）施加启动尖峰实现STDP的再可塑性。（f）人工尖刺机械感受器系统（ASMS）的原理图。（g）ASAN的输入电压与响应频率的函数。（h）不同压力强度下ASMS的频率响应。

4．未来展望

近年来，基于压电电子学器件和应变/PENG门控晶体管的压电势调制神经形态器件技术（即压电电子学神经形态器件）取得了重大进展。压电电子学神经形态器件创新性地采用了压电势门控方法，将外部时空机械输入信号与电输出信号直接关联。通过单个器件的性能提高、多种功能的集成、器件阵列的结构设计等方式，能够大大拓宽了压电神经形态器件的应用范围。压电神经形态器件及系统具有感知、计算、学习、处理具体和复杂问题的能力，有望推动物联网、人工智能、生物医学工程等领域的发展。

相关论文信息

Lin X D, Feng Z Y, Xiong Y, Sun W W, Yao W C, Wei Y C, Wang Z L and Sun Q J. 2024. Piezotronic neuromorphic devices: principle, manufacture, and applications. Int. J. Extrem. Manuf. 6, 032011.

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad339b

International Journal of Extreme Manufacturing (中文《极端制造（英文）》），简称IJEM。作为极端制造领域首本专业期刊，具有显著的多学科交叉特色。期刊聚焦极端制造领域前沿科学发展和技术需求，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果，涵盖支撑极端制造的基础科学到前沿技术，旨在搭建开放平等的沟通桥梁，推动极端制造领域的多学科融合与创新。

期刊先后被SCI、EI、Scopus、CSCD等近30个国际知名数据库收录。IF （2023） 16.1，JCR Q1区，连续两年位列全球工程制造领域第一，中国科学院期刊分区工程技术一区、机械工程领域高质量科技期刊分级目录T1级。入选中国科技期刊卓越行动计划英文领军期刊，获机械工业科学技术奖科技进步二等奖、中国科协优秀科技论文、中国最具国际影响力学术期刊等荣誉。

期刊网址：https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

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