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

인간의 뇌는 컴퓨터 하드 드라이브처럼 정보를 저장하지 않습니다. 대신, 뇌는 신경 세포 사이의 방대한 연결 네트워크에 의존하며, 여기서 각 연결의 강도는 경험에 따라 변할 수 있습니다. 이러한 연결을 시간이 지남에 따라 강화하거나 약화시키는 능력을 가소성이라고 하며, 이는 학습과 기억의 물리적 기초가 됩니다. 어떤 연결은 즉각적으로 변하지만 빠르게 사라져서 우리가 전화번호를 몇 초 동안 머릿에 담아둘 수 있게 해줍니다. 다른 연결은 느리게 변하며 수년간 지속되어 우리의 장기적인 지식을 형성합니다. 인간처럼 생각하는 컴퓨터를 만들기 위해, 과학자들은 이러한 유연한 행동을 모방할 수 있는 전자 장치를 만드는 것을 시도하고 있습니다. 과제는 현재 기술에서 사용되는 단순한 온/오프 스위치를 넘어, 단순하면서도 저렴하고 다양한 상태의 메모리를 보유할 수 있는 장치를 만드는 데 있습니다.

미주리 대학교의 연구팀은 생물학적 시냅스와 놀라울 정도로 유사하게 작동하는 새로운 유형의 전자 스위치를 개발함으로써 이 목표를 향한 중요한 진전을 이루었습니다. 그들은 현대 전자 공학의 기본 구성 요소인 트랜지스터를 특수한 유기 플라스틱 재료를 사용하여 제작했습니다. 이 장치에 메모리를 부여하기 위해, 그들은 두 개의 매우 얇은 산화 알루미늄 시트 사이에 각각 1나노미터보다 작은 아주 작은 백금 입자 층을 끼워 넣었습니다. 이 배열은 플라스틱과 절연층이 만나는 바로 그 경계에 위치합니다. 그 결과, 이 장치는 정보를 오랫동안 기억할 수 있으면서도 복잡한 사고에 필수적인 단기 기억 효과를 보여줄 수 있게 되었습니다. 이 발견이 특히 놀라운 점은, 이 작은 백금 입자들이 전류의 흐름을 양자 물리학과 유사한 방식으로 작동하게 만든다는 것입니다. 이는 보통 절대 영도에 가까운 온도에서만 관찰되는 현상이지만, 여기서는 상온에서 발생합니다.

연구진은 금속 게이트가 바닥에 있고 그 위를 전하를 유지할 수 있는 강유전성 플라스틱 층이 덮고 있는 바텀 게이트(bottom-gate) 설계를 사용하여 이 장치들을 제작했습니다. 그 위에 정밀한 산화 알루미늄 층을 성장시킨 후, 백금 입자를 증착하고 다시 또 다른 얇은 산화 알루미늄 층으로 덮었습니다. 마지막으로, 회로를 완성하기 위해 DPP-DTT라는 반도체성 플라스틱 층과 금속 접점을 추가했습니다. 이 트랜지스터들을 테스트했을 때, 그들은 예상치 못한 현상을 발견했습니다. 전압을 위아래로 훑을 때, 장치를 통해 흐르는 전류가 부드럽게 변하지 않았습니다. 대신, 전류는 평탄한 구간 뒤에 날카로운 스파이크가 나타나는 뚜ol한 단계(steps)를 거치며 움직였습니다. 이러한 고원(plateau)과 스파이크는 쿨롱 차단(Coulomb blockade)이라고 알려진 양자 효과의 징후로, 특정 에너지 수준에 도달할 때까지 미립자들이 전자의 통과를 저항하는 현상입니다. 백금 입자가 매우 작기 때문에, 이들은 개별적인 섬처럼 작용하여 단일 전자를 가둘 수 있으며, 서로 매우 잘 분리된 불연속적인 메모리 레벨을 생성합니다.

이러한 양자 행동은 매우 크고 안정적인 메모리 윈도우(memory window)로 이어집니다. 이 장치는 20볼트 이상의 전압 범위에서 서로 다른 전도 상태(즉, 서로 다른 메모리 값) 사이를 전환될 수 있습니다. 이는 유사한 유기 소자에서 일반적으로 관찰되는 것보다 훨씬 큰 수치입니다. 연구진은 백금 입자가 음전하를 유지할 수 있으며, 이것이 트랜지스터를 켜는 데 필요한 전압을 효과적으로 변화시킨다는 것을 관찰했습니다. 전압이 변할 때, 입자들은 전자를 통제된 방식으로 방출하거나 포획하여 전류의 뚜렷한 단계를 만들어냅니다. 연구팀은 또한 전류 스파이크 사이의 간격이 규칙적이라는 점을 발견했는데, 이는 입자들이 마치 전기장을 예측 가능한 패턴으로 차폐하는 하나의 단일 전하 시트처럼 통합된 방식으로 행동하고 있음을 시사합니다.

전기적 메모리 외에도, 이 장치는 빛에 의해 프로그래밍될 수 있는 놀라운 능력을 보여주었습니다. 연구진이 트랜지스터에 녹색 또는 청색 레이저를 비추었을 때, 전류의 흐름이 증가하며 장치에 새로운 정보를 기록하는 효과를 냈습니다. 이는 빛이 플라스틱 층에 추가적인 전하 운반체를 생성하고, 일부가 백금 입자에 갇히기 때문입니다. 이 정보를 지우기 위해, 그들은 게이트에 특정 전기 펄스를 가하여 갇힌 전하들을 방출했습니다. 이러한 이중 능력은 동일한 장치를 빛으로 쓰고 전기로 지울 수 있게 하여, 생물학적 시냅스가 다양한 유형의 신호에 의해 영향을 받는 방식을 모사합니다. 연구진은 표준 데이터베이스의 손글씨 숫자를 인식하도록 이 장치를 훈련시켜 이를 테스트했습니다. 빛에 의해 유도된 변화를 통해 훈련되었을 때, 시스템은 약 83%의 정확도를 달양성하며 메모리 상태가 안정적이고 복잡한 작업에 유용하다는 것을 입증했습니다.

이 장치의 가장 흥미로운 발견 중 하나는 단기 가소성을 보일 수 있는 능력이었습니다. 생물학에서 두 신호가 시냅스에 짧은 간격으로 연달아 도착하면, 두 번째 신호는 종종 첫 번째 신호보다 더 강한 반응을 생성합니다. 이를 '쌍펄스 촉진(paired-pulse facilitation)'이라고 합니다. 연구진은 장치에 매우 짧은 간격을 두고 두 번의 빛 펄스를 비추어 이를 테스트했습니다. 그들은 두 번째 반응이 첫 번째보다 두 배 이상 강력하다는 것을 발견했는데, 이는 생물학적 시냅스와 일치하는 촉진 수준입니다. 이 단기 효과는 뇌에서와 마찬가지로 몇 초 후에 사라졌으며, 이는 갇힌 전하들이 원래 상태로 서서히 이완되고 있음을 시사합니다. 따라서 이 장치는 오랫동안 지속되는 장기 기억과 즉각적인 정보 처리에 필수적인 단기 기억을 모두 처리할 수 있습니다.

본 연구는 이러한 효과가 단순한 결함이나 무작위 노이즈에 의해 발생하는 것이 아니라는 점을 입증했습니다. 백금 입자가 없는 대조군 장치들은 이러한 행동을 전혀 보이지 않았습니다. 대조군에는 메모리 윈도우도, 전류 스파이크도, 단기 가소성도 없었습니다. 이는 독특한 특성이 설계된 백금 나노입자 층에서 직접 기인한다는 것을 확인해 줍니다. 연구진은 또한 입자의 크기가 중요하다는 것을 발견했습니다. 약간 더 큰 입자는 전류 단계에서 다른 간격을 생성했는데, 이는 작은 클러스터의 에너지 레벨이 크기에 따라 어떻게 변하는지에 대한 이론적 예측과 일치했습니다. 다양한 장치에서 나타난 결과의 일관성은 이 층을 만드는 방법이 견고하고 반복 가능하다는 것을 시사합니다.

넓은 메모리 윈도우, 양자 유사 수송, 그리고 이중 모드 프로그래밍을 결합함으로써, 이 연구는 뉴로모픽 컴퓨팅의 새로운 길을 열었습니다. 이 장치는 유기 재료가 정밀한 양자 효과를 구현하기에는 너무 무질서하다고 여겨지는 경우가 많음에도 불구하고, 고도로 제어된 전하 포획을 지원하도록 설계될 수 있음을 증명합니다. 빛과 전기를 모두 사용하여 메모리 상태를 제어할 수 있는 능력은 미래 시스템을 위한 다재다능한 플랫폼을 제공합니다. 현재 이 장치들은 아직 연구 단계에 있지만, 단일하고 단순한 구성 요소 내에서 장기와 단기 가소성을 모두 보여준 것은 우리가 자연계를 모방하는 방식으로 학습하고 적응할 수 있는 전자 시스템을 구축하는 데 더 가까워지고 있음을 시사합니다. 이 연구 결과는 향로적인 개선을 통해, 이러한 재료들이 단순히 강력할 뿐만 아니라 효율적이며 인간 사고의 복잡하고 유동적인 특성을 다룰 수 있는 컴퓨터의 빌딩 블록이 될 수 있음을 시사합니다.