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研究背景
神经形态计算是从人脑中汲取灵感的一种新兴方法，为人工智能/机器学习提供低功耗硬件加速器。神经形态硬件的主要瓶颈是快速、稳定和可扩展的非易失性存储元件，它还可以模拟生物神经网络的突触行为。莫尔量子材料通过扭曲二维异质结构中增强的内部库仑相互作用来呈现奇异的电子现象。特别是，双层石墨烯（BLG）/六方氮化硼（hBN）莫尔异质结构中的铁电性脱颖而出，成为神经形态器件的潜在候选者。
关键问题
尽管进行了广泛的探索，莫尔电子现象迄今为止仍仅限于不切实际的低温，从而限制了莫尔量子材料的实际应用。2、基于BLG/和BN莫尔异质结构的室温器件应用亟需验证BLG/hBN叠栅铁电性具有不对称叠栅结构导致的本征电子起源，不对称的莫尔势景观将系统分为局部子系统和流动子系统，两个子系统之间的动态相互作用导致出现棘轮电子态，以适应滞后、非易失性电荷转移。深莫尔势和强大的内部库仑相互作用使这些电子特性在高温下得以保留，表明室温器件应用是可能的。
新思路
有鉴于此，美国西北大学Mark C. Hersam、麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero和波士顿学院Qiong Ma等人报告了基于不对称双层石墨烯/六方氮化硼莫尔异质结构的低功率（20pW）莫尔突触晶体管的实验实现和室温操作。不对称的莫尔电势会产生强大的电子棘轮态，从而实现控制器件电导的电荷载流子的滞后、非易失性注入。双门控莫尔异质结构中的不对称门控实现了多种生物逼真的神经形态功能，例如可重构突触响应、基于时空的tempotron和Bienenstock-Cooper-Munro输入特异性适应。通过这种方式，莫尔突触晶体管可以实现高效的内存计算设计以及人工智能和机器学习的边缘硬件加速器。作者首先考察了MST的基本特征，表明电子棘轮效应允许通过施加短VTG脉冲来连续调节电导，多个中间电导状态的保留和耐久性表征表明了棘轮机制的非易失性本质。作者探究了基于BLG/hBN莫尔异质结构的突触行为，表明MST可与大规模神经网络的交叉阵列架构兼容且具有高噪声容限。作者表明BLG/hBN莫尔异质结构的不对称性实现了双门控MST中独特的可调性，VTG滞后地控制顶部BLG/hBN界面处的非易失性棘轮效应，而 VBG以类似于传统BLG晶体管的方式可逆地控制电导通道。在Bienenstock-Cooper-Munro模型中证实了MSTs可以实现神经形态的输入特异性适应，提供了一种高效和可扩展的解决方案，以紧凑的形式实现生物现实的神经调节计算模型。1、实现了基于BLG/hBN莫尔异质结构的莫尔突触晶体管作者报告了基于BLG/hBN莫尔异质结构的莫尔突触晶体管（MST）的实验实现，MST可实现本征棘轮态，从而从电子自由度产生铁电性，滞后电子棘轮导致非易失性电导状态的室温调节，具有独特的门可调节突触可塑性。凭借其底层棘轮机制，MST具有可与最先进技术相媲美的低功耗(20pW)，表现出高耐用性和多种状态的保留，并且与交叉架构中的可扩展制造兼容。此外，MAT可以模仿生物稳态机制和输入特定的适应，从而加速新兴的神经网络应用。作者首先考察了MST的基本特征。漏极电流(ID)随顶栅偏压(VTG)的变化表明单向电荷密度调制效应源自不对称BLG/hBN 莫尔异质结构中的层对比电子态。特别是，顶部BLG/hBN界面处的长程莫尔电势导致电荷局域化，而底部界面处的均匀电荷分布导致移动电荷传输。此外，电子棘轮效应允许通过施加短VTG脉冲来连续调节电导。在多个制造的器件中一致观察到棘轮效应，并且可以通过控制六方氮化硼层的厚度和莫尔异质结构中的取向角来进一步改善器件之间的变异性。多个中间电导状态的保留和耐久性表征表明了棘轮机制的非易失性本质。一个尖峰通过MST所需的功率约为20 pW，这与最先进的突触器件（例如忆阻器、相变存储器、磁性存储器和电荷陷阱）相比毫不逊色。
图 通过电子控制棘轮机构实现MST中的非易失性电荷注入棘轮效应使BLG/hBN莫尔异质结构能够显示类似的突触行为，可以充当突触晶体管。作者展示了一系列具有不同幅度的VTG脉冲，这些脉冲导致一系列突触增强和抑制反应。此外，MST还与大规模神经网络的交叉阵列架构兼容。使用MST突触响应对多层感知器进行建模，即使设备之间和周期之间的变化为10%，手写数字的识别率也超过85-90%。MST被建模为可以将输入模式集成到输出信号中的传入神经，演示了tempotron的实用性。通过利用MST的可调LTP/LTD 可塑性，可以在tempotron中训练两个神经元，以响应输入模式。为了测试tempotron的稳定性，将抖动噪声（σpre）添加到输入模式中，表明基于 MST的tempotron具有高噪声容限。
除了VTG单独促进的突触功能外，BLG/hBN莫尔异质结构的不对称性意味着VTG和底栅偏置(VBG)在双门控MST中提供了独特的可调性。由于BLG/hBN莫尔异质结构中两个子系统之间的空间分离，VBG和VTG分别优先控制电导通道和莫尔定位位点。特别是，只有在棘轮状态下，VTG才会诱导单向电荷注入电导通道。总之，VTG滞后地控制顶部BLG/hBN界面处的非易失性棘轮效应，而 VBG以类似于传统BLG晶体管的方式可逆地控制电导通道。通过利用VTG和VBG的综合效应，可以确定性地编程莫尔定位位点的占据和通道电导，从而实现MST突触响应丰富且广泛的可调性。
MSTs中VTG和VBG提供的对比控制可以实现神经形态的输入特异性适应。在Bienenstock-Cooper-Munro模型中，采用双向突触阈值滑动来描述输入特异性适应，适用于眼睛剥夺条件下视觉皮层的生物神经元。MSTs仅使用VTG和VBG就可以实现双向的突触阈值滑动，从而克服了传统生物模型的限制。使用一个考虑了眼睛剥夺的联想记忆模型证明了基于MST的输入特异性适应，与传统的双端忆阻器相比，MSTs提供了一种高效和可扩展的解决方案，以紧凑的形式实现生物现实的神经调节计算模型。基于MST交叉开关的神经突触核心也有可能用作模拟存储器和计算阵列，以更好地解决基于感觉的问题。
展望
总之，作者利用BLG/hBN莫尔异质结构来实现室温MST。这些MST的电子棘轮特性提供了可调节的突触响应，适用于基于神经形态尖峰的感知器和基于时空的速度传感器。此外，BLG/hBN莫尔异质结构的空间不对称性意味着双门控MST中的顶门和底门分别对莫尔定位位点和通道电导提供差异控制，这使得双向突触阈值滑动成为可能，适合于实现神经形态硬件中的输入特定适应。当与大面积、单晶二维材料生长技术和晶圆级对齐转移方法的最新进展相结合时，MST具有在交叉架构中进行扩展的潜力，从而实现复杂的神经调节和仿生功能。Yan, X., Zheng, Z., Sangwan, V.K. et al. Moiré synaptic transistor with room-temperature neuromorphic functionality. Nature 624, 551–556 (2023).DOI：10.1038/s41586-023-06791-1 https://doi.org/10.1038/s41586-023-06791-1
