DOI: 10.1002/smll.201907472

突触电子学是一项用于开发功能性电子器件的新技术，可模拟生物对应物的结构和功能。它在可穿戴计算芯片、人机界面、神经元修复等方面具有广阔的应用前景。这些类型的应用需要超低能耗的突触器件作为可穿戴电子器件的有效能源供应，这仍然是非常困难的。在本文中，通过具有3D界面传导通道的固体离子门控有机场效应晶体管（OFETs）演示了人工突触模拟，用于超低功率突触模拟。成功地实现了人工突触的基本特征：兴奋性突触后电流（EPSC）、成对脉冲易化（PPF）和高通滤波。此外，由于离子电解质和类纤维半导体通道之间的接触面较大，单纤维人工突触可由超低突触前尖峰操作，操作电压为-0.5 mV，超低读数电压为-0.1 mV。因此，人工突触的一个尖峰的超低能量消耗可以低至约3.9 fj，这在低功耗的集成突触电路中具有巨大的潜力。

图1.3D OSC光纤/电介质界面的设计以及固体离子电介质的合成。

图2.a）具有3D离子电解质的生物突触和PQT-12突触晶体管的示意图。b）单根纤维在Au图案化的硅片上的SEM图像（插图，光学图像，比例尺，300 µm）。c）SFFET的元素分析。d）设备的详细结构。

图3.a）频率相关的有效电容。插图显示了用于测试的设备结构。b）SFFETs的输出和传输特性。c）由突触前尖峰（-1 V，0.1 s）触发的SFFETs的典型ESPC行为。d）由突触前尖峰（-1 V，0.1 s开启，0.2 s关闭）触发的SFFETs的典型PPF行为。e）在不同尖峰强度（-0.1，-0.5和-1 mV）和读取电压（-0.1，-0.5和-1 mV）下，SFFETs的能耗。f）由-0.5 mV触发并由-0.1 mV记录的设备的最低能量EPSC行为。

图4. a）SFFETs的突触前尖峰强度相关的EPSC。b）最大EPSC值与突触前突峰宽度的函数关系。c）突触中高通滤波器的示意图。d）EPSC对10个不同频率的突触前尖峰的响应信号。尖峰强度和宽度分别为-1 V和30 ms。e）EPSC增益与突触前尖峰频率的函数关系，将其定义为A10/A1，其中A1和A10分别是第一个尖峰和第十个尖峰的最大EPSC值。

图5.经典的巴甫洛夫犬的实验条件。a）设计的电路由两个用于测试的SFFETs组成（输入1代表食物，输入2代表铃）。b-e）由记录的EPSC值显示的训练路线与20种不同输入刺激的关系：b）仅响铃（输入2）；c）仅食物（输入1）；d）饭后响铃；e）响铃和食物（训练过程）。通过施加恒定的尖峰电压（VInput 1 = -0.5 V，VInput 2 = -1 V）来实现输入。尖峰宽度为20 ms。