近日，由日本国立材料科学研究所(NIMS)和东京理科大学组成的研究小组利用高离子导电性陶瓷薄膜和金刚石薄膜开发出了速度最快的双电层晶体管。

该晶体管可用于开发具有广泛应用的节能、高速边缘人工智能设备，包括未来事件预测和图像(包括面部识别)、语音和气味的模式识别/确定。该研究发表在 2023 年 6 月 16 日出版的《Materials Today Advances》杂志上。

(左)本研究项目开发的双电层晶体管的示意图。(右)与现有的双电层晶体管相比，使用该晶体管实现了显着更高的神经形态运算速度。

图片来源：日本国立材料科学研究所

双电层晶体管利用由电解质和半导体之间的界面处形成的双电层的充电和放电引起的电阻变化来充当开关。由于这种晶体管能够模仿人类大脑神经元的电反应(即充当神经形态晶体管)，因此它在人工智能设备中的应用具有潜在的前景。

然而，现有的双电层晶体管在导通和截止状态之间切换缓慢。典型的转换时间范围为数百微秒至 10 毫秒。因此，需要开发更快的双电层晶体管。

该研究小组通过使用脉冲激光高精度沉积陶瓷(氧化钇稳定的多孔氧化锆薄膜)和金刚石薄膜，在陶瓷/金刚石界面形成双电层，开发出双电层晶体管。

氧化锆薄膜能够将大量的水吸附到其纳米孔中，并允许水中的氢离子轻松地迁移通过它，从而使双电层能够快速充电和放电。这种双电层效应使晶体管能够非常快速地运行。

该团队通过向晶体管施加脉冲电压，实际测量了晶体管的运行速度，发现其运行速度比现有双电层晶体管快8.5倍，创下了新的世界纪录。该团队还证实了该晶体管能够将输入波形精确地转换为许多不同的输出波形——这是晶体管与神经形态人工智能设备兼容的先决条件。

该研究项目产生了一种新的陶瓷薄膜技术，能够对几纳米厚度的双电层进行快速充电和放电。这是打造实用、高速、节能的人工智能辅助设备的重大成果。这些设备与各种传感器(例如智能手表、监控摄像头和音频传感器)相结合，预计将为各个行业提供有用的工具，包括医学、防灾、制造和安全。