用作传感器和处理器的有机电化学晶体管

近年来，电子工程师一直在尝试开发新的受大脑启发的硬件，可以更有效地运行人工智能(AI)模型。虽然大多数现有硬件专门用于传感、处理或存储数据，但一些团队一直在探索将这三种功能组合在单个设备中的可能性。

西安交通大学、香港大学和西安科技大学的研究人员推出了一种新型有机晶体管，可以充当传感器和处理器。这种晶体管是在《自然电子》杂志上发表的一篇论文中介绍的，它基于垂直遍历架构和晶体非晶沟道，可以选择性地掺杂离子，使其能够在两种可重构模式之间切换。

“传统的人工智能(AI)硬件使用单独的系统来进行数据传感、处理和内存存储，”进行这项研究的两名研究人员马伟教授和王忠瑞教授告诉TechXplore。

“由于不同硬件组件之间不断需要数据传输以及模拟到数字信号的顺序转换，这种分离通常会导致显着的能耗和时间延迟。一些突破性的研究强调了有机物显着的传感和模拟存储能力。电化学晶体管(OECT)。”

研究人员最近研究的最初目标是开发一种既可以用作传感器又可以用作处理器的OECT，因为这样的设备可以创建更均匀、更高效的人工智能硬件。OECT是基于薄膜的有机电子器件，具有晶体管的功能。它们的厚度使得它们特别有利于智能生物电子学的发展，例如可穿戴或可植入设备以及神经形态硬件。

Wang、Chen及其同事开发的OECT有两种不同的操作模式，即传感模式和处理模式。这两种不同的模式是通过器件内部晶体-非晶通道的选择性离子掺杂来支持的。

“在传感模式下，电解质中的离子在生理信号的驱动下迁移到晶体结构中，但它们可以很容易地扩散回电解质中，使通道保持在低电导状态，”王解释道。“在处理模式下，这些离子可以被晶体结构‘捕获’，从而将通道保持在高电导状态。这种双重功能使我们的OECT设备独特且高效。”

为了制造OECT阵列，研究人员使用了一系列简单的技术和工艺，包括热蒸发、溶液刮刀涂层、热退火和反应离子蚀刻。由于所有这些技术都具有成本效益，因此它们可以促进其设备的大规模制造。

“我们的设备还拥有令人印象深刻的多功能性，”王说。“作为传感器，它可以检测各种信号，例如来自电生理学、化学物质、光和温度的信号。此外，作为存储单元，它具有一系列优点，例如能够存储10位模拟状态、低切换随机性以及超过10,000秒的状态保留。这使我们的OECT设备成为人工智能领域的多功能工具。”

Wang、Chen和他们的同事通过一系列实验评估了他们的设备及其在不同操作模式之间切换的能力。他们发现OECT的动态可以被有效地调节，使其能够作为传感器和处理器发挥良好的作用。

作为传感器，该设备可以感知不同类型的刺激，包括离子和光。作为处理器，它能够处理10位模拟状态，同时还能很好地保留这些状态。

“我们开发的新型设备由于离子被捕获的位置而具有两种不同的操作方案，”世杰说。“因此，它既充当传感器又充当处理器。这种可重构性是受生物启发的，这也使得未来的神经形态硬件更加通用和适应性更强。”

未来，该研究团队创建的晶体管可用于创建先进的神经形态设备，可以收集不同类型的数据并进行处理。作为研究的一部分，王、陈和他们的同事表明，它可以用于实时诊断心脏病，他们的下一步工作可以探索更有前途的应用。

Wang补充道：“我们目前正计划改进我们的制造技术，目标是创建大型OECT阵列。”“这将为完全集成的传感处理神经网络奠定基础。这项技术的潜在应用非常广泛，可能会彻底改变医疗保健等领域。例如，它可以仅使用硬件实现实时疾病诊断，这是一项突破可以大大提高医疗环境的速度和准确性。”

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