近日，我院胡季帆团队在SrCoO_x材料中采用离子液体门控诱导氧离子迁移，利用沿[110]晶体取向的快速氧传输通道，实现绝缘钙铁石结构SrCoO_2.5与金属钙钛矿结构SrCoO₃之间具有各向异性动力学的可逆相变，并且构建不同功能的新型人工突触来实现类似生物系统中的突触多样性。相关研究成果以“Gate-tunable anisotropic oxygen ion migration in SrCoO_x: toward emerging oxide-based artificial synapses”为题发表在《Advanced Intelligent Systems》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aisy.202200287

人工神经网络是实现人工智能最佳选择之一，离子迁移操作的三端器件成为模拟神经元之间生物连接(突触)的自然选择。与两端器件相比，三端器件具有同时进行读和写的优势。近年来，许多复杂的人工突触被建立起来，以实现记忆和遗忘、学习和逻辑计算等功能，并在大规模电解质晶体管阵列中表现出较高的计算精度、快速开关速度和低能耗的良好性能。然而，在生物系统中，存在着种类繁多的兴奋性和抑制性神经元或突触遵循不同的计算和可塑性规则共同发挥作用。通过开发具有可调响应能力的人工突触器件，在人工突触领域实现类似的多样性仍然是一项具有挑战性但紧迫的任务。因此，我们在单晶氧化物中通过改变衬底取向或者通道层的制备方向获得了不同响应能力的人工突触器件。

山东大学胡季帆教授团队利用脉冲激光技术生长了单晶的钙铁石结构SrCoO_2.5薄膜，并且制备了不同晶体取向的双通道场效应晶体管。通道I（离子液体覆盖）内的氧离子迁移由门控效应诱导的纯电场驱动，并且沿着垂直方向；而通道II（无离子液体覆盖）内的氧离子迁移则是由通道I和通道II之间的氧离子浓度梯度驱动，方向沿着水平方向。结果表明，由于在SrCoO_2.5的特定方向上存在有序的氧空位通道，不同晶体取向上氧离子的迁移具有高度各向异性。更重要的是，晶体取向依赖的氧离子迁移和由此产生的金属-绝缘体转变为构建各种具有不同性能的人工突触提供了有趣的机会，如兴奋性或抑制性特征、学习准确性和突触间的协同合作等。人工神经网络系统识别28×28像素的手写数字仿真中，（011） SrCoO_2.5人工突触的数字识别率高达96.95%。此项研究不仅为氧化物中离子的各向异性迁移提供了新的见解，而且为具有多样性突触系统的发展开辟了新的途径。

9999js金沙老品牌博士研究生苗停停为本文的第一作者，崔彬和胡季帆教授为该文的通讯作者，合作者还包括中科院微电子所邢国忠研究员。山东大学是唯一通讯单位。该工作得到国家自然科学基金项目、国家海外高层次青年人才计划和山东大学齐鲁青年学者配套经费的资助。

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