基于石墨烯的神經(jīng)突觸仿生器件

王鑫

摘 要：石墨烯這一新材料及其眾多優(yōu)異的電學(xué)特性[2]，成為我們將其作為仿生器件基礎(chǔ)材料的主要原因，在本文的研究中，我們先對(duì)石墨烯進(jìn)行濕法轉(zhuǎn)移-即將較為精純的單層石墨烯轉(zhuǎn)移至硅片上，并涂上一層凝膠，隨即運(yùn)用光刻技術(shù)對(duì)其進(jìn)行加工，精密清洗過后，最終加工成一種以金為電極，硅和二氧化硅為基板，單層石墨烯為導(dǎo)體的一種石墨烯電子元件。當(dāng)用半導(dǎo)體測(cè)試儀對(duì)此種基于石墨烯的電子器件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其與生物神經(jīng)突觸的脈沖電流信號(hào)的規(guī)律具有相似的特性，因此，我們可以研究出基于石墨烯的神經(jīng)突觸仿生器件[1]來模擬人體的信號(hào)傳遞，進(jìn)而使用石墨烯的仿生器件來模擬類似于學(xué)習(xí)的功能。

關(guān)鍵詞：石墨烯晶體管;神經(jīng)突觸;仿生

中圖分類號(hào)：TP183 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0210-02

0 引言

人工智能飛速發(fā)展的今天，人工智能會(huì)不會(huì)有一日學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)，甚至具有自主思考能力？這成了現(xiàn)今人們所關(guān)注的問題。而在現(xiàn)今生物學(xué)中，神經(jīng)突觸是我們?nèi)梭w信號(hào)傳遞的基本組成結(jié)構(gòu)之一，其中的電信號(hào)的規(guī)律性變化也是我們完成一系列神經(jīng)沖動(dòng)，后天學(xué)習(xí)的必要條件;我們發(fā)現(xiàn)基于石墨烯的晶體管，所測(cè)試雙脈沖電信號(hào)的結(jié)果與神經(jīng)突觸的電信號(hào)變化圖像相近時(shí)，我們所研制的AI是否也可以具備這種類似神經(jīng)突觸的功能，從而演化為一種可自主學(xué)習(xí)的新型人工智能，使其更好地為人類服務(wù)。我們運(yùn)用此種基于石墨烯的仿生神經(jīng)突觸器件，在生物兼容性允許的情況下，安裝于人體內(nèi)部甚至大腦中來模仿人體真正的信息傳遞，從而起到一個(gè)很好的代替人類身體部分功能的器件。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

準(zhǔn)備好的烘干機(jī);共焦顯微鏡拉曼系統(tǒng);紫外線曝光儀;帶有石墨烯的銅箔;PET塑料板;鑷子;滴管;勻膠機(jī);硅片;膠帶。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

過硫酸銨;去離子水;丙酮溶液;異丙醇溶液。

1.3 石墨烯晶體管的制備

濕法轉(zhuǎn)移石墨烯步驟：

將含有石墨烯的銅箔沿密封線剪開，用鑷子將其輕輕撕開，盡量不出現(xiàn)褶皺，隨即將已展開的銅箔展平貼在PET塑料板上，并用鑷子將其按平，將四周粘上膠帶用勻膠機(jī)（PMMA）涂抹勻膠：500r/6s，3000r/60s，另稱量10g過硫酸銨與250ml去離子水混合，來配置APS溶液;用剪刀其三周的膠帶剪掉，泡在APS里3小時(shí)使銅箔溶解，取出樣品后用PET板與滴管輔助轉(zhuǎn)移到硅片上，隨即烘干樣品（5～10min），用丙酮溶液浸泡5～10分鐘，用異丙醇，水依次沖洗，然后吹干即可。

1.4 材料表征

（1）本次研究采用共焦顯微拉曼系統(tǒng)532nm激光激發(fā)單層石墨烯，可得典型拉曼光譜圖。（2）運(yùn)用半導(dǎo)體測(cè)試儀B-1500A對(duì)含單層石墨烯的器件進(jìn)行電學(xué)性能檢測(cè)，獲取I-V、I-T圖像，以此來與生物神經(jīng)的脈沖電流信號(hào)特點(diǎn)對(duì)比，進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯的拉曼光譜圖

2.2 石墨烯的成品電子器件

2.3 石墨烯晶體管基本性能表征

當(dāng)用半導(dǎo)體測(cè)試儀對(duì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能測(cè)試時(shí)可發(fā)現(xiàn)其當(dāng)對(duì)柵極施以不同電壓時(shí)，源漏電流大小也隨之發(fā)生改變，由此可知其特性與神經(jīng)突觸的連續(xù)刺激所導(dǎo)致的脈沖電流大小十分相似，如圖3所示。

2.4 石墨烯晶體管基本性能表征

3 結(jié)語

本文以基于單層石墨烯的器件做材料，通過用共焦顯微拉曼系統(tǒng)，可發(fā)現(xiàn)單層石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)特性[2]，而后，我們又用半導(dǎo)體測(cè)試儀對(duì)負(fù)有一層石墨烯的硅與二氧化硅的器件進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其雙脈沖圖像的雙峰值之間的變化規(guī)律為逐漸增強(qiáng)的長(zhǎng)時(shí)期增強(qiáng)，而我們拿其與生物神經(jīng)突觸的刺激變化作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者之間具有相似性。由此我們可以認(rèn)為，單層石墨烯的電學(xué)器件可作為仿生材料使用，可代替生物體一些信號(hào)傳輸（類似學(xué)習(xí)）的功能。我們可以設(shè)想，在不遠(yuǎn)的未來，我們能夠擁有可進(jìn)行自主思考的人工智能，可擁有只有在科幻電影出現(xiàn)的機(jī)械臂，植入大腦可進(jìn)行計(jì)算，發(fā)號(hào)施令的智能芯片，所以，此次基于石墨烯的神經(jīng)突觸仿生器件，是對(duì)未來有著一定意義的。

參考文獻(xiàn)

[1] 金建慧，江瀟，汪萌芽.離體脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元對(duì)腹外側(cè)索雙脈沖刺激的突觸反應(yīng)和長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)[C]//全國會(huì)員代表大會(huì)，2009.

[2] 萬思杰，虎偉，江雷，等.仿生石墨烯納米復(fù)合材料及其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科學(xué)通報(bào)，2017（27）：3173-3200.