基于石墨烯的神经突触仿生器件

王鑫

摘 要：石墨烯这一新材料及其众多优异的电学特性[2]，成为我们将其作为仿生器件基础材料的主要原因，在本文的研究中，我们先对石墨烯进行湿法转移-即将较为精纯的单层石墨烯转移至硅片上，并涂上一层凝胶，随即运用光刻技术对其进行加工，精密清洗过后，最终加工成一种以金为电极，硅和二氧化硅為基板，单层石墨烯为导体的一种石墨烯电子元件。当用半导体测试仪对此种基于石墨烯的电子器件进行试验时，发现其与生物神经突触的脉冲电流信号的规律具有相似的特性，因此，我们可以研究出基于石墨烯的神经突触仿生器件[1]来模拟人体的信号传递，进而使用石墨烯的仿生器件来模拟类似于学习的功能。

关键词：石墨烯晶体管;神经突触;仿生

中图分类号：TP183 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0210-02

0 引言

人工智能飞速发展的今天，人工智能会不会有一日学会自主学习，甚至具有自主思考能力？这成了现今人们所关注的问题。而在现今生物学中，神经突触是我们人体信号传递的基本组成结构之一，其中的电信号的规律性变化也是我们完成一系列神经冲动，后天学习的必要条件;我们发现基于石墨烯的晶体管，所测试双脉冲电信号的结果与神经突触的电信号变化图像相近时，我们所研制的AI是否也可以具备这种类似神经突触的功能，从而演化为一种可自主学习的新型人工智能，使其更好地为人类服务。我们运用此种基于石墨烯的仿生神经突触器件，在生物兼容性允许的情况下，安装于人体内部甚至大脑中来模仿人体真正的信息传递，从而起到一个很好的代替人类身体部分功能的器件。

1 实验过程

1.1 实验仪器

准备好的烘干机;共焦显微镜拉曼系统;紫外线曝光仪;带有石墨烯的铜箔;PET塑料板;镊子;滴管;匀胶机;硅片;胶带。

1.2 实验试剂

过硫酸铵;去离子水;丙酮溶液;异丙醇溶液。

1.3 石墨烯晶体管的制备

湿法转移石墨烯步骤：

将含有石墨烯的铜箔沿密封线剪开，用镊子将其轻轻撕开，尽量不出现褶皱，随即将已展开的铜箔展平贴在PET塑料板上，并用镊子将其按平，将四周粘上胶带用匀胶机（PMMA）涂抹匀胶：500r/6s，3000r/60s，另称量10g过硫酸铵与250ml去离子水混合，来配置APS溶液;用剪刀其三周的胶带剪掉，泡在APS里3小时使铜箔溶解，取出样品后用PET板与滴管辅助转移到硅片上，随即烘干样品（5～10min），用丙酮溶液浸泡5～10分钟，用异丙醇，水依次冲洗，然后吹干即可。

1.4 材料表征

（1）本次研究采用共焦显微拉曼系统532nm激光激发单层石墨烯，可得典型拉曼光谱图。（2）运用半导体测试仪B-1500A对含单层石墨烯的器件进行电学性能检测，获取I-V、I-T图像，以此来与生物神经的脉冲电流信号特点对比，进行研究。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯的拉曼光谱图

2.2 石墨烯的成品电子器件

2.3 石墨烯晶体管基本性能表征

当用半导体测试仪对半导体的电学性能测试时可发现其当对栅极施以不同电压时，源漏电流大小也随之发生改变，由此可知其特性与神经突触的连续刺激所导致的脉冲电流大小十分相似，如图3所示。

2.4 石墨烯晶体管基本性能表征

3 结语

本文以基于单层石墨烯的器件做材料，通过用共焦显微拉曼系统，可发现单层石墨烯具有优异的电学特性[2]，而后，我们又用半导体测试仪对负有一层石墨烯的硅与二氧化硅的器件进行测试，发现其双脉冲图像的双峰值之间的变化规律为逐渐增强的长时期增强，而我们拿其与生物神经突触的刺激变化作对比，发现二者之间具有相似性。由此我们可以认为，单层石墨烯的电学器件可作为仿生材料使用，可代替生物体一些信号传输（类似学习）的功能。我们可以设想，在不远的未来，我们能够拥有可进行自主思考的人工智能，可拥有只有在科幻电影出现的机械臂，植入大脑可进行计算，发号施令的智能芯片，所以，此次基于石墨烯的神经突触仿生器件，是对未来有着一定意义的。

参考文献

[1] 金建慧，江潇，汪萌芽.离体脊髓运动神经元对腹外侧索双脉冲刺激的突触反应和长时程增强[C]//全国会员代表大会，2009.

[2] 万思杰，虎伟，江雷，等.仿生石墨烯纳米复合材料及其在电子器件领域的应用[J].科学通报，2017（27）：3173-3200.