Coulomb blockade-like transport and enhanced memory in organic transistors embedded with sub-nm Pt nanoparticles for neuromorphic computing

人間の脳は、コンピュータのハードドライブのように情報を保存するわけではありません。その代わりに、神経細胞間の膨大な接続ネットワークに依存しており、そこでは各リンクの強さが経験に基づいて変化します。この、時間の経過とともに接続を強化または弱体化させる能力は可塑性と呼ばれ、学習と記憶の物理的な基礎となっています。いくつかの接続は瞬時に変化しますがすぐに消えてしまい、これにより電話番号を数秒間記憶にとどめることができます。他の接続はゆっくりと変化し、数年間持続して、長期的な知識を形成します。人間のように考えるコンピュータを構築するために、科学者たちは、このような柔軟な振る舞いを模倣できる電子デバイスの開発に取り組んでいます。課題は、現在のテクノロジーで使用されている単純なオン・オフのスイッチではなく、シンプルで安価であり、かつ多くの異なるメモリ状態を保持できるデバイスを作ることです。

ミズーリ大学の研究チームは、生物学的なシナプスと驚くほど似た挙動を示す新しいタイプの電子スイッチを作成することで、この目標に向けた重要な一歩を踏み出しました。彼らは、現代の電子機器の基本コンポーネントであるトランジスタを、特殊な有機プラスチック材料を用いて製作しました。このデバイスに記憶機能を与えるために、彼らは2枚の極薄の酸化アルミニウムシートの間に、それぞれが1ナノメートル未満の微細な白金粒子を含む層を挟み込みました。この配置は、プラスチックと絶縁層が接する境界線上に位置しています。その結果、情報は長時間保持できる一方で、複雑な思考に不可欠な短期記憶効果も示すデバイスが誕生しました。この発見が特に驚くべき点は、微細な白金粒子が、通常は絶対零度に近い温度でしか見られない現象である量子物理学のような挙動を、室温で引き起こしていることです。

研究者たちは、金属ゲートが底部にあり、電荷を保持できる強誘電性プラスチック層で覆われたボトムゲート設計を用いて、これらのデバイスを構築しました。その上に、精密な酸化アルミニウム層を成長させ、白金粒子を堆積させ、さらに別の薄い酸化アルミニウム層でキャップをしました。最後に、回路を完成させるために、DPP-DTTと呼ばれる半導体プラスチックの層と金属コンタクトを追加しました。これらのトランジスタをテストした際、彼らは予想外の現象を発見しました。電圧を上下にスキャンしていくと、デバイスを流れる電流は滑らかに変化するのではなく、平坦な領域と鋭いスパイク（突起）を伴う明確なステップ状に動いたのです。これらのプラトー（高原状の平坦部）とスパイクは、クーロン閉塞として知られる量子効果の兆候であり、そこでは微細な粒子が特定のエネルギーに達するまで電子の通過を阻止します。白金粒子が非常に小さいため、それらは個々の「島」として機能し、単一の電子を捕捉することができ、互いに非常によく分離された離散的なメモリレベルを作り出します。

この量子的な振る舞いは、非常に大きく安定したメモリウィンドウへとつながります。このデバイスは、20ボルトを超える電圧範囲において、異なるメモリ値を表す異なるコンダクタンス状態の間で切り替えることができます。これは、同様の有機デバイスで通常見られるものよりもはるかに大きな値です。研究者たちは、白金粒子が負の電荷を保持でき、それがトランジスタをオンにするために必要な電圧を効果的にシフトさせることを観察しました。電圧が変化すると、粒子は制御された方法で電子を放出または捕捉し、電流に明確なステップを作り出します。また、電流スパイクの間隔が規則的であることも観察されており、これは粒子が統一された方法で、あたかも一つの電荷のシートとして予測可能なパターンで電界を遮蔽しているかのように振る舞っていることを示唆しています。

電気的な記憶を超えて、このデバイスは光によってプログラムされるという驚くべき能力を示しました。研究者がトランジスタに緑色または青色のレーザーを照射すると、電流の流れが増加し、実質的に新しい情報がデバイスに書き込まれます。これは、光がプラスチック層に余剰な電荷キャリアを生成し、その一部が白金粒子によって捕捉されるためです。この情報を消去するために、彼らはゲートに特定の電気パルスを印加し、捕捉された電荷を放出させました。この二重の能力により、同じデバイスを光で書き込み、電気で消去することが可能になり、生物学的なシナプスが異なる種類の信号によって影響を受ける様子を模倣しています。研究者たちは、標準的なデータベースを用いた手書き数字の認識にこのデバイスを用いてテストを行いました。光誘起の変化を用いて訓練された際、システムは約83パーセントの精度を達成し、メモリ状態が安定しており、複雑なタスクに有用であることを実証しました。

おそらく将来の脳型コンピュータにとって最もエキサイティングな発見は、デバイスが短期可塑性を示す能力です。生物学において、もし2つの信号がシナプスに立て続けに到着した場合、2番目の信号はしばしば1番目の信号よりも強い反応を生じさせます。これは対刺激促進（paired-pulse facilitation）と呼ばれます。研究者たちは、デバイスに対して非常に短い間隔で2回の光パルスを照射することでこれをテストしました。その結果、2回目の反応は1回目の2倍以上の強さであることが分かり、これは生物学的なシナプスに一致する促進レベルです。この短期的な効果は数秒間で消失しましたが、これは脳内と同様に、捕捉された電荷が元の状態へとゆっくりと緩和していることを示唆しています。したがって、このデバイスは、長期間持続する長期記憶と、即時的な情報の処理に不可欠な短期記憶の両方を扱うことができます。

この研究は、これらの効果が単純な欠陥やランダムなノイズによって引き起こされているという考えを否定しています。白金粒子を含まないコントロール用のデバイスは、これらの挙動を全く示しませんでした。それらにはメモリウィンドウも、電流スパイクも、短期可塑性もありませんでした。これにより、独特な特性が、設計された白金ナノ粒子の層から直接由来していることが確認されました。また、研究者たちは粒子のサイズも重要であることを発見しました。やや大きな粒子は電流ステップの異なる間隔を生じさせ、これは微細なクラスターのエネルギーレベルがサイズによってどのように変化するかという理論的予測と一致しています。異なるデバイス間での結果の一貫性は、これらの層を作成する方法が堅牢で再現可能であることを示唆しています続けています。

広大なメモリウィンドウ、量子的な輸送、そしてデュアルモードのプログラミングを組み合わせることで、この研究はニューロモーフィック・コンピューティングへの新しい道を切り開きます。このデバイスは、精密な量子効果をサポートするには無秩序すぎるとしばしば見なされる有機材料であっても、高度に制御された電荷捕捉を実現するように設計できることを証明しています。光と電気の両方を用いてメモリ状態を制御できる能力は、将来のシステムのための多用途なプラットフォームを提供します。現在のデバイスはまだ研究段階にありますが、単一のシンプルなコンポーネントにおいて長期および短期の可塑性の両方が実証されたことは、私たちが自然界を鏡のように映し出し、学習し適応する電子システムを構築することに近づいていることを示唆しています。これらの知見は、さらなる改良を加えることで、これらの材料が、強力であるだけでなく、人間の思考の複雑で流動的な性質を扱うことができる効率的なコンピュータの構成要素になり得ることを示唆しています。