DOI: 10.1002/smll.201907472
突觸電子學是一項用于開發功能性電子器件的新技術，可模擬生物對應物的結構和功能。它在可穿戴計算芯片、人機界面、神經元修復等方面具有廣闊的應用前景。這些類型的應用需要超低能耗的突觸器件作為可穿戴電子器件的有效能源供應，這仍然是非常困難的。在本文中，通過具有3D界面傳導通道的固體離子門控有機場效應晶體管（OFETs）演示了人工突觸模擬，用于超低功率突觸模擬。成功地實現了人工突觸的基本特征：興奮性突觸后電流（EPSC）、成對脈沖易化（PPF）和高通濾波。此外，由于離子電解質和類纖維半導體通道之間的接觸面較大，單纖維人工突觸可由超低突觸前尖峰操作，操作電壓為-0.5 mV，超低讀數電壓為-0.1 mV。因此，人工突觸的一個尖峰的超低能量消耗可以低至約3.9 fj，這在低功耗的集成突觸電路中具有巨大的潛力。
圖1.3D OSC光纖/電介質界面的設計以及固體離子電介質的合成。
圖2.a）具有3D離子電解質的生物突觸和PQT-12突觸晶體管的示意圖。b）單根纖維在Au圖案化的硅片上的SEM圖像（插圖，光學圖像，比例尺，300 μm）。c）SFFET的元素分析。d）設備的詳細結構。
圖3.a）頻率相關的有效電容。插圖顯示了用于測試的設備結構。b）SFFETs的輸出和傳輸特性。c）由突觸前尖峰（-1 V，0.1 s）觸發的SFFETs的典型ESPC行為。d）由突觸前尖峰（-1 V，0.1 s開啟，0.2 s關閉）觸發的SFFETs的典型PPF行為。e）在不同尖峰強度（-0.1，-0.5和-1 mV）和讀取電壓（-0.1，-0.5和-1 mV）下，SFFETs的能耗。f）由-0.5 mV觸發并由-0.1 mV記錄的設備的最低能量EPSC行為。
圖4. a）SFFETs的突觸前尖峰強度相關的EPSC。b）最大EPSC值與突觸前突峰寬度的函數關系。c）突觸中高通濾波器的示意圖。d）EPSC對10個不同頻率的突觸前尖峰的響應信號。尖峰強度和寬度分別為-1 V和30 ms。e）EPSC增益與突觸前尖峰頻率的函數關系，將其定義為A10/A1，其中A1和A10分別是第一個尖峰和第十個尖峰的最大EPSC值。
圖5.經典的巴甫洛夫犬的實驗條件。a）設計的電路由兩個用于測試的SFFETs組成（輸入1代表食物，輸入2代表鈴）。b-e）由記錄的EPSC值顯示的訓練路線與20種不同輸入刺激的關系：b）僅響鈴（輸入2）；c）僅食物（輸入1）；d）飯后響鈴；e）響鈴和食物（訓練過程）。通過施加恒定的尖峰電壓（VInput 1 = -0.5 V，VInput 2 = -1 V）來實現輸入。尖峰寬度為20 ms。
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