掺硼的类似变色龙的材料有助于将类似于大脑的计算带入硅芯片

掺硼的变色龙样材料更接近于模仿脑细胞

在一项新研究中，材料科学与工程系的德克萨斯A＆M研究人员描述了一种新的材料，该材料几乎模仿了脑细胞如何执行计算。

每个醒来的时刻，我们的大脑都会处理大量数据，以了解外界。通过模仿人脑解决日常问题的方式，神经形态系统具有巨大的潜力，可以彻底改变大数据分析和模式识别问题，而这正是当前数字技术所面临的难题。

但是要使人造系统更像大脑，它们需要复制神经细胞在其末端被称为突触的通信方式。

在美国化学学会杂志上发表的一项研究中，德克萨斯农工大学的研究人员描述了一种新材料，该材料可以捕捉突触中的电活动模式。研究人员说，就像神经细胞如何根据突触中的电活动历史来产生振荡电流脉冲一样，研究人员说，神经元材料的温度从该器件的热历史决定，其转变温度会从金属振荡到绝缘体。

通常根据材料是否导热和导电将其分为金属或绝缘体。但是某些材料（例如二氧化钒）具有双重寿命。在某些温度下，二氧化钒就像绝缘体一样，可以抵抗热量和电流的流动。但是，当加热到67摄氏度时，二氧化钒的内部性质会发生变色龙般的变化，转化为金属。

这些由于温度而来回的振荡使二氧化钒成为受大脑启发的电子系统的理想候选物，因为神经元也会产生振荡电流，称为动作电位。

但是神经元也会在突触中集中他们的输入。这种整合会稳定地增加神经元膜的电压，使其接近阈值。当超过此阈值时，神经元会激发动作电位。

材料科学与工程系教授萨尔巴吉·班纳吉（Sarbajit Banerjee）说：“神经元可以记住其膜所处的电压，并取决于其膜电压相对于阈值的位置。化学系的资深作者之一。“我们想调整二氧化钒的性质，以便保留它与转变温度的接近程度的一些记忆，以便我们可以开始模仿生物神经元突触中发生的事情。”

除非添加称为掺杂物的杂质，否则给定材料的转变温度通常是固定的。尽管掺杂剂可以根据过渡金属的类型和浓度在二氧化钒中移动过渡温度，但Banerjee和他的团队的目标是采用一种不仅可以反映掺杂物浓度而且可以反映过渡金属浓度的方式来调节过渡温度的方法。自重设以来经过的时间。他们发现，这种灵活性只有在使用硼时才有可能。

当研究人员将硼添加到二氧化钒中时，该材料仍从绝缘体过渡到金属，但是过渡温度现在取决于它保持由硼产生的新的亚稳态的时间。

“生物神经元记忆其膜电压；同样，掺硼的二氧化钒可以记忆其热历史，或者正式地说是处于亚稳态的时间。 。“该存储器确定了驱动器件从金属振荡到绝缘体的转变温度。”

材料科学系教授Patrick Shamberger说，虽然他们的系统是模仿生物突触的第一步，但目前正在进行实验，以通过控制二氧化钒松弛过程的动力学在材料的行为中引入更多的动力。研究的作者。

在不久的将来，材料科学系教授兼Banerjee的合作伙伴强晓峰计划通过探索其他更复杂的钒氧化物化合物的原子和电子结构来扩展当前的研究。此外，合作团队还将研究使用其他掺杂剂制造其他神经形态材料的可能性。

材料科学系教授，该研究的通讯作者RaymundoArróyave说：“我们想调查我们用二氧化钒观察到的现象是否适用于其他主体晶格和其他来宾原子。”“这种洞察力可以为我们提供多种工具，以进一步调整这些类型的神经形态材料的特性，以用于个人应用。”

参考：Diane G. Sellers，Erick J. Braham，Ruben Villarreal，Baiyu Zhang，Abhishek Parija，Timothy D. Brown，Theodore EG Alivio，Heidi Clarke和Luis R.“基于VO2中移动掺杂物扩散的原子滴漏和温度计” De Jesus，Lucia Zuin，David Prendergast，钱小峰，Raymundo Arroyave，Patrick J.Shamberger和Sarbajit Banerjee，2020年8月12日，美国化学学会杂志.DOI：
10.1021 / jacs.0c07152

化学系的Erick J. Braham是这项研究的共同主要作者。这项研究的其他贡献者包括材料科学系的张佰宇，蒂莫西·布朗和海蒂·克拉克。 J. Mike Walker ’66机械工程系的Ruben Villarreal；化学系的Abhishek Parija，Theodore E.G. Alivio和Luis R.De Jesus来自加拿大萨斯喀彻温大学的Lucia Zuin；加州劳伦斯伯克利国家实验室的David Prendergast。

这项研究是由美国国家科学基金会和空军科学研究所资助的。