理工學(xué)院張敏教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表文章
由香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院張敏教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)近日成功研究具有雙柵極結(jié)構(gòu)的本征柔性多模式可重構(gòu)晶體管（IFMRT），并展示了其在電路和神經(jīng)形態(tài)器件中的應(yīng)用。以“Intrinsically Flexible Multimode Reconfigurable Transistors for Polymorphic Circuits and Neuromorphic Devices”為題的論文已被國(guó)際期刊Nature Communications接收發(fā)表。
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論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-67041-8?
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本征柔性多模式可重構(gòu)晶體管具有雙柵結(jié)構(gòu)，頂柵或底柵可獨(dú)立或共同作為調(diào)制端，實(shí)現(xiàn)器件在p型、n型與雙極性模式之間的切換，且閾值電壓可調(diào)。基于該器件，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了反相器和多態(tài)邏輯電路，其具有可選擇的NAND或NOR邏輯功能，為硬件安全提供了潛在解決方案。在神經(jīng)形態(tài)器件方面，該器件還可實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的突觸響應(yīng)與樹(shù)突集成能力，為自動(dòng)避障等機(jī)器人決策場(chǎng)景提供了解決方案，還模擬了人類(lèi)手臂運(yùn)動(dòng)控制中的高級(jí)與低級(jí)神經(jīng)中樞的協(xié)同控制，有望用于機(jī)器人手臂控制及推進(jìn)智能假肢的發(fā)展。該晶體管在4毫米彎曲半徑下經(jīng)歷5000次彎折后，仍保持其可重構(gòu)特性。IFMRT及其功能演示為柔性可穿戴電子與軟體智能機(jī)器人開(kāi)辟了新的可能性。
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一、期刊介紹
《自然-通訊》（Nature Communications）是自然出版集團(tuán)旗下的國(guó)際頂尖綜合性科學(xué)期刊之一，創(chuàng)刊于2010年，具有重要國(guó)際影響力。它旨在快速發(fā)表自然科學(xué)各領(lǐng)域內(nèi)具有重要突破性、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)且能引起多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域科學(xué)家廣泛興趣的高質(zhì)量研究成果。期刊涵蓋領(lǐng)域極其廣泛，橫跨生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、能源、地球與環(huán)境科學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算科學(xué)，以及臨床、醫(yī)學(xué)和公共衛(wèi)生等領(lǐng)域。該期刊以其高學(xué)術(shù)影響力（影響因子16.6，JCR及中科院1區(qū)TOP）與嚴(yán)格的跨學(xué)科評(píng)審著稱(chēng)。
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二、論文簡(jiǎn)介
在新型半導(dǎo)體器件研究領(lǐng)域，可重構(gòu)晶體管以其獨(dú)特的電控型態(tài)切換能力，為實(shí)現(xiàn)器件級(jí)功能重構(gòu)提供了極具前景的解決方案。該器件僅通過(guò)電學(xué)輸入調(diào)控，即可在同一結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)p型與n型晶體管特性的動(dòng)態(tài)重構(gòu)?？芍貥?gòu)晶體管的靈活性促進(jìn)了器件多功能化，豐富了電路和神經(jīng)形態(tài)器件的表達(dá)能力?？芍貥?gòu)特性能有效抵抗反向破譯，為硬件安全提供潛在解決方案；可重構(gòu)特性能夠模擬生物體內(nèi)維持神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的可重構(gòu)突觸響應(yīng)和具有高效處理信息能力的樹(shù)突結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，將柔性電子與神經(jīng)形態(tài)器件相結(jié)合的研究為共形貼合的人體可穿戴設(shè)備、智能機(jī)器人和人機(jī)交互界面提供了新的解決方案，從而開(kāi)拓出新的應(yīng)用體驗(yàn)和場(chǎng)景。
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該研究提出的IFMRT具有本征柔性和多模式可重構(gòu)的特點(diǎn)，并展示了其在可重構(gòu)電路、人工突觸及樹(shù)突集成中的應(yīng)用。IFMRT為雙柵結(jié)構(gòu)，一個(gè)柵極作為極性柵用于調(diào)節(jié)工作模式，另一個(gè)柵極作為控制柵控制溝道開(kāi)關(guān)，頂柵或底柵均可作為極性柵。溝道的雙極特性與極性柵的調(diào)制能力使該晶體管可在p型、n型及雙極性模式間實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，并且閾值電壓均可調(diào)節(jié)。器件出色的本征柔性使其能在彎曲狀態(tài)下保持可重構(gòu)操作，在4毫米彎曲半徑下經(jīng)歷5000次彎折后可保持可重構(gòu)性能。
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基于p型和n型IFMRT，該研究進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了反相器和多態(tài)邏輯電路。單一電路可通過(guò)單比特輸入選擇實(shí)現(xiàn)NAND與NOR兩種工作模式，隱藏電路實(shí)際功能，僅在配置正確密鑰時(shí)方可正常運(yùn)行，在硬件安全領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。
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在生物體中，突觸響應(yīng)可被靈活調(diào)節(jié)。例如，內(nèi)啡肽可作為神經(jīng)調(diào)節(jié)劑緩解人體因有害刺激產(chǎn)生的主觀(guān)疼痛；腹側(cè)被蓋區(qū)神經(jīng)元中單個(gè)軸突末梢可同時(shí)釋放興奮性與抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。這種調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)了神經(jīng)調(diào)控的自由度，是生物體內(nèi)固有的不可或缺的突觸機(jī)制。該研究在基于IFMRT的人工突觸器件中實(shí)現(xiàn)了具有可靈活調(diào)節(jié)的可重構(gòu)的突觸響應(yīng)，有望提高神經(jīng)形態(tài)電子的功能性和靈活性。對(duì)于施加在頂柵的相同的突觸前脈沖，通過(guò)設(shè)置不同的底柵調(diào)制電壓，突觸響應(yīng)可以被放大或減弱，還可以從負(fù)向轉(zhuǎn)為正向——即對(duì)于相同的刺激，該突觸器件能夠在興奮與抑制的響應(yīng)之間實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)。
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在生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)元具有多個(gè)樹(shù)突，每個(gè)樹(shù)突都能接收來(lái)自其他神經(jīng)元的信號(hào)，整合信息后再將信號(hào)傳遞給其他神經(jīng)元，樹(shù)突整合增強(qiáng)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在單個(gè)神經(jīng)元層面的信息接收與處理能力。該研究基于IFMRT實(shí)現(xiàn)了人工樹(shù)突，模擬了樹(shù)突整合功能。頂柵與底柵均模擬突觸前膜，并作為平等的輸入信號(hào)，溝道模擬樹(shù)突狀突觸后膜。以?xún)蓚€(gè)二進(jìn)制輸入信號(hào)為例，可能的輸入情況包括00、01、10和11?；贗FMRT的人工樹(shù)突對(duì)于四種輸入具有不同水平的突觸后電流，可以完全區(qū)分開(kāi)四種輸入，這種信息整合的功能在機(jī)器人自動(dòng)避障中具有一定應(yīng)用潛力。00表示左右都無(wú)障礙物，機(jī)器人保持直行；01表示右側(cè)有障礙物，機(jī)器人向左轉(zhuǎn)；10表示左側(cè)有障礙物，機(jī)器人向右轉(zhuǎn)；11表示左右都有障礙物，機(jī)器人停止前進(jìn)。此外，該功能更有望應(yīng)用于任何需要整合二進(jìn)制輸入信息并進(jìn)行判斷的智能決策場(chǎng)景。
基于IFMRT的人工樹(shù)突還可模仿人體中低級(jí)神經(jīng)中樞（如脊髓）和高級(jí)神經(jīng)中樞（如大腦）協(xié)同調(diào)控的手臂運(yùn)動(dòng)，具有在人形機(jī)器人機(jī)械臂控制方向上的應(yīng)用潛力。頂柵具有較強(qiáng)的溝道耦合，模擬大腦的高級(jí)控制能力，而底柵具有較弱的溝道耦合，模擬脊髓的低級(jí)控制能力。單獨(dú)向底柵施加正脈沖會(huì)產(chǎn)生抑制性突觸響應(yīng)，這對(duì)應(yīng)脊髓獨(dú)立控制的熱刺激自主縮手反射。而在運(yùn)動(dòng)控制中處于更高地位的大腦能夠覆蓋脊髓的反射行為：當(dāng)意外握住高溫水杯時(shí)，大腦會(huì)抑制脊髓的縮手反射，控制手臂暫時(shí)握住水杯并盡快放置于桌面，而非直接放手打翻水杯。模擬高低級(jí)神經(jīng)中樞控制下的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人能夠針對(duì)不同情境采取差異化應(yīng)對(duì)策略，提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的精細(xì)度與適應(yīng)性。通過(guò)底柵模擬的低級(jí)神經(jīng)中樞及基礎(chǔ)的條件反射，可保護(hù)機(jī)器人免受高溫、銳物等外部傷害；而通過(guò)頂柵模擬的高級(jí)神經(jīng)中樞，能夠突破條件反射的單一性，提供應(yīng)對(duì)復(fù)雜情境時(shí)所需的更高層級(jí)的控制能力。
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三、作者簡(jiǎn)介
通訊作者：張敏教授
張敏，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院教授，校長(zhǎng)學(xué)者。研究方向?yàn)楹竽枙r(shí)代新型微納電子器件，包括柔性電子、神經(jīng)形態(tài)電子、納米電子、先進(jìn)顯示等。曾就職于晶門(mén)科技（香港）、北京大學(xué)信息工程學(xué)院、香港應(yīng)用科技研究院。已發(fā)表同行評(píng)審論文160余篇，其中近三年作為通訊作者在Nature Communications、Advanced Materials等重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文30余篇。出版專(zhuān)著1部，撰寫(xiě)書(shū)章4章，獲授權(quán)專(zhuān)利20余項(xiàng)，邀請(qǐng)報(bào)告近30次。已主持包括國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等15項(xiàng)。作為骨干研究人員參與包括國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)在內(nèi)的國(guó)家及省部級(jí)項(xiàng)目近10項(xiàng)。擔(dān)任多個(gè)國(guó)際會(huì)議組委會(huì)成員及多個(gè)知名期刊的審稿人。張教授是IEEE高級(jí)會(huì)員，曾擔(dān)任IEEE電子器件和固態(tài)電路學(xué)會(huì)深圳聯(lián)合分會(huì)財(cái)長(zhǎng)；SID會(huì)員，并擔(dān)任國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)北京分會(huì)技術(shù)委員會(huì)委員。獲得教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、深圳市優(yōu)秀教師、廣東省級(jí)人才、北京大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，還獲得多項(xiàng)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng)。
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第一作者：王婉婷
2023年碩士畢業(yè)于北京大學(xué)，現(xiàn)為張敏教授團(tuán)隊(duì)的研究助理，主要從事柔性晶體管及集成電路設(shè)計(jì)等研究。作為第一或共同第一作者在Nature Communications、Advanced Functional Materials等期刊發(fā)表多篇論文。
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合作作者：劉德行博士
2025年博士畢業(yè)于北京大學(xué)，現(xiàn)為張敏教授團(tuán)隊(duì)博士后，研究聚焦于半導(dǎo)體器件物理、后摩爾時(shí)代電子器件設(shè)計(jì)-工藝協(xié)同優(yōu)化。已在Nature Nanotechnology等期刊上發(fā)表SCI論文20余篇。曾獲國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生等多項(xiàng)榮譽(yù)。
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合作作者：梁家僑
2022年學(xué)士畢業(yè)于美國(guó)溫特沃斯理工學(xué)院，現(xiàn)為張敏教授團(tuán)隊(duì)的研究助理，主要研究柔性應(yīng)用系統(tǒng)集成。
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論文合作作者還包括北京大學(xué)新材料學(xué)院王新煒副教授及碩士畢業(yè)生王佳良，北京大學(xué)信息工程學(xué)院博士畢業(yè)生朱家豪、王子凡，以及碩士畢業(yè)生邱睿、朱添羽、王淳修、張斯鑫、黃秋月。
該論文得到香港中文大學(xué)（深圳）大學(xué)發(fā)展基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持。
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供稿 | 張敏教授團(tuán)隊(duì)?
