基于石墨烯的神經突觸仿生器件

王鑫

摘 要：石墨烯這一新材料及其眾多優異的電學特性[2]，成為我們將其作為仿生器件基礎材料的主要原因，在本文的研究中，我們先對石墨烯進行濕法轉移-即將較為精純的單層石墨烯轉移至硅片上，并涂上一層凝膠，隨即運用光刻技術對其進行加工，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，單層石墨烯為導體的一種石墨烯電子元件。當用半導體測試儀對此種基于石墨烯的電子器件進行試驗時，發現其與生物神經突觸的脈沖電流信號的規律具有相似的特性，因此，我們可以研究出基于石墨烯的神經突觸仿生器件[1]來模擬人體的信號傳遞，進而使用石墨烯的仿生器件來模擬類似于學習的功能。

關鍵詞：石墨烯晶體管;神經突觸;仿生

中圖分類號：TP183 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0210-02

0 引言

人工智能飛速發展的今天，人工智能會不會有一日學會自主學習，甚至具有自主思考能力？這成了現今人們所關注的問題。而在現今生物學中，神經突觸是我們人體信號傳遞的基本組成結構之一，其中的電信號的規律性變化也是我們完成一系列神經沖動，后天學習的必要條件;我們發現基于石墨烯的晶體管，所測試雙脈沖電信號的結果與神經突觸的電信號變化圖像相近時，我們所研制的AI是否也可以具備這種類似神經突觸的功能，從而演化為一種可自主學習的新型人工智能，使其更好地為人類服務。我們運用此種基于石墨烯的仿生神經突觸器件，在生物兼容性允許的情況下，安裝于人體內部甚至大腦中來模仿人體真正的信息傳遞，從而起到一個很好的代替人類身體部分功能的器件。

1 實驗過程

1.1 實驗儀器

準備好的烘干機;共焦顯微鏡拉曼系統;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;硅片;膠帶。

1.2 實驗試劑

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（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小時使銅箔溶解，取出樣品后用PET板與滴管輔助轉移到硅片上，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532nm激光激發單層石墨烯，可得典型拉曼光譜圖。（2）運用半導體測試儀B-1500A對含單層石墨烯的器件進行電學性能檢測，獲取I-V、I-T圖像，以此來與生物神經的脈沖電流信號特點對比，進行研究。

2 結果與討論

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

當用半導體測試儀對半導體的電學性能測試時可發現其當對柵極施以不同電壓時，源漏電流大小也隨之發生改變，由此可知其特性與神經突觸的連續刺激所導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，可發現單層石墨烯具有優異的電學特性[2]，而后，我們又用半導體測試儀對負有一層石墨烯的硅與二氧化硅的器件進行測試，發現其雙脈沖圖像的雙峰值之間的變化規律為逐漸增強的長時期增強，而我們拿其與生物神經突觸的刺激變化作對比，發現二者之間具有相似性。由此我們可以認為，單層石墨烯的電學器件可作為仿生材料使用，可代替生物體一些信號傳輸（類似學習）的功能。我們可以設想，在不遠的未來，我們能夠擁有可進行自主思考的人工智能，可擁有只有在科幻電影出現的機械臂，植入大腦可進行計算，發號施令的智能芯片，所以，此次基于石墨烯的神經突觸仿生器件，是對未來有著一定意義的。

參考文獻

[1] 金建慧，江瀟，汪萌芽.離體脊髓運動神經元對腹外側索雙脈沖刺激的突觸反應和長時程增強[C]//全國會員代表大會，2009.

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