Ein organischer elektrochemischer Transistor, der als Sensor und Prozessor dient

Feature vom 2. Juni 2023

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

In den letzten Jahren haben Elektronikingenieure versucht, neue, vom Gehirn inspirierte Hardware zu entwickeln, mit der Modelle der künstlichen Intelligenz (KI) effizienter ausgeführt werden können. Während die meiste vorhandene Hardware entweder auf die Erfassung, Verarbeitung oder Speicherung von Daten spezialisiert ist, haben einige Teams die Möglichkeit untersucht, diese drei Funktionen in einem einzigen Gerät zu kombinieren.

Forscher der Xi'an Jiaotong University, der University of Hong Kong und der Xi'an University of Science and Technology stellten einen neuen organischen Transistor vor, der als Sensor und Prozessor fungieren kann. Dieser Transistor, der in einem in Nature Electronics veröffentlichten Artikel vorgestellt wurde, basiert auf einer vertikalen Querarchitektur und einem kristallin-amorphen Kanal, der selektiv mit Ionen dotiert werden kann, wodurch er zwischen zwei rekonfigurierbaren Modi wechseln kann.

„Konventionelle Hardware für künstliche Intelligenz (KI) verwendet separate Systeme für die Datenerfassung, -verarbeitung und -speicherung“, sagten Prof. Wei Ma und Prof. Zhongrui Wang, zwei der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Tech Xplore.

„Diese Trennung führt oft zu erheblichem Energieverbrauch und Zeitverzögerungen aufgrund der ständigen Notwendigkeit der Datenübertragung zwischen verschiedenen Hardwarekomponenten und der sequentiellen Umwandlung von analogen in digitale Signale. Einige bahnbrechende Studien haben die bemerkenswerten Sensor- und analogen Speicherfähigkeiten organischer Geräte hervorgehoben.“ elektrochemische Transistoren (OECTs).“

Das ursprüngliche Ziel der jüngsten Studie der Forscher bestand darin, ein OECT zu entwickeln, das sowohl als Sensor als auch als Prozessor fungieren kann, da ein solches Gerät die Schaffung homogenerer und effizienterer KI-Hardware ermöglichen könnte. OECTs sind organische elektronische Geräte auf Dünnschichtbasis, die als Transistoren fungieren. Aufgrund ihrer geringen Dicke sind sie besonders vielversprechend für die Entwicklung intelligenter Bioelektronik, etwa tragbarer oder implantierbarer Geräte und neuromorpher Hardware.

Das von Wang, Chen und ihren Kollegen entwickelte OECT verfügt über zwei verschiedene Betriebsmodi, nämlich einen Erfassungs- und einen Verarbeitungsmodus. Diese beiden unterschiedlichen Modi werden durch die selektive Ionendotierung eines kristallin-amorphen Kanals im Inneren des Geräts unterstützt.

„Im Erfassungsmodus wandern Ionen im Elektrolyten, angetrieben durch ein physiologisches Signal, in die Kristallstruktur, können aber leicht zurück in den Elektrolyten diffundieren und den Kanal in einem Zustand niedriger Leitfähigkeit halten“, erklärte Wang. „Im Verarbeitungsmodus können diese Ionen von der Kristallstruktur „eingefangen“ werden, wodurch der Kanal in einem Zustand mit hoher Leitfähigkeit bleibt. Diese Doppelfunktionalität macht unser OECT-Gerät einzigartig und effizient.“

Zur Herstellung ihres OECT-Arrays verwendeten die Forscher eine Reihe unkomplizierter Techniken und Prozesse, darunter thermische Verdampfung, Lösungsklingenbeschichtung, thermisches Tempern und reaktives Ionenätzen. Da alle diese Techniken kosteneffektiv sind, könnten sie die Herstellung ihres Geräts in großem Maßstab erleichtern.

„Unser Gerät zeichnet sich außerdem durch eine beeindruckende Vielseitigkeit aus“, sagte Wang. „Als Sensor kann er verschiedene Arten von Signalen erfassen, beispielsweise Signale aus der Elektrophysiologie, chemischen Spezies, Licht und Temperatur. Darüber hinaus bietet er als Speichereinheit eine Reihe von Vorteilen, wie die Möglichkeit, analoge 10-Bit-Zustände zu speichern.“ , geringe Schaltzufälligkeit und eine Zustandserhaltung von über 10.000 Sekunden. Das macht unser OECT-Gerät zu einem vielseitigen Werkzeug in der Welt der KI.“

Wang, Chen und ihre Kollegen untersuchten in einer Reihe von Experimenten ihr Gerät und seine Fähigkeit, zwischen seinen verschiedenen Betriebsmodi zu wechseln. Sie fanden heraus, dass die Dynamik ihres OECT effektiv moduliert werden konnte, sodass er sowohl als Sensor als auch als Prozessor gut funktionieren konnte.

Als Sensor kann das Gerät verschiedene Arten von Reizen wahrnehmen, darunter Ionen und Licht. Als Prozessor ist er in der Lage, analoge 10-Bit-Zustände zu verarbeiten und behält diese Zustände auch gut bei.

„Das neuartige Gerät, das wir entwickelt haben, verfügt aufgrund der Position, an der die Ionen eingefangen werden, über zwei unterschiedliche Betriebsschemata“, sagte Shijie. „Dadurch fungiert es sowohl als Sensor als auch als Prozessor. Diese Rekonfigurierbarkeit ist bioinspiriert, was auch zukünftige neuromorphe Hardware vielseitiger und anpassungsfähiger macht.“

In Zukunft könnte der von diesem Forscherteam entwickelte Transistor zur Entwicklung fortschrittlicher neuromorpher Geräte verwendet werden, die verschiedene Arten von Daten sammeln und verarbeiten können. Im Rahmen ihrer Studie zeigten Wang, Chen und ihre Kollegen, dass damit Herzerkrankungen in Echtzeit diagnostiziert werden können und dass ihre nächsten Arbeiten vielversprechendere Anwendungen erforschen könnten.

„Wir planen derzeit, unsere Fertigungstechnologie zu verfeinern, um ein groß angelegtes OECT-Array zu schaffen“, fügte Wang hinzu. „Damit wird der Grundstein für ein vollständig integriertes sensorisch-verarbeitendes neuronales Netzwerk gelegt. Die potenziellen Anwendungen dieser Technologie sind umfangreich und könnten Bereiche wie das Gesundheitswesen revolutionieren. Beispielsweise könnte sie eine Echtzeitdiagnose von Krankheiten allein mithilfe von Hardware ermöglichen, ein Durchbruch.“ könnte die Geschwindigkeit und Genauigkeit im medizinischen Bereich erheblich verbessern.“

Mehr Informationen: Shijie Wang et al., Ein organischer elektrochemischer Transistor für multimodale Erfassung, Speicherung und Verarbeitung, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00950-y

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