用于神经假体的有机电子器件 MJI Airaghi Leccardi 和 D. Ghezzi 美敦力神经工程主席,神经假体中心和生物工程研究所,洛桑联邦理工学院工程学院,日内瓦 1202,瑞士。电子邮件:diego.ghezzi@epfl.ch 神经假体旨在通过利用植入式和可穿戴设备的技术进步来恢复受损或丧失的神经和心理功能。神经接口等植入式设备的性能依赖于生物和机器之间的协同作用。如果缺乏这种协同作用,可能会出现许多不良后果,如排斥、感染或故障。柔软度、电化学行为、生物相容性和生物降解性等材料特性都会影响神经接口的可靠性。在这篇综述中,我们描述了现代聚合物基底和有机电极,它们提供了这些特性的最佳组合。它们在融合不同特性方面的多功能性源于对其分子结构和混合的可控性。与无机材料相比,有机材料对软组织的机械顺应性更佳,而共轭聚合物在与电解液的界面处也具有有利的电化学传输机制,涉及离子和电子电导率。因此,全聚合物神经接口将具有多种优势,包括低成本制造、更高的生物相容性、重量轻、透明性以及与绿色电子产品的亲和性。本综述还重点介绍了支持基于有机材料开发安全电子接口的材料策略,这些策略对各种应用的神经假体都有益。
随着信息技术迈向大数据时代,传统的冯·诺依曼架构在性能上显示出局限性。计算领域已经在应对访问内存所需的延迟和带宽(“内存墙”)以及能量耗散(“电源墙”)方面遇到了很多困难。这些具有挑战性的问题,例如“内存瓶颈”,要求进行大量的研究投资来开发下一代计算系统的新架构。脑启发计算是一种新的计算架构,为人工智能计算提供了一种高能效和高实时性的方法。脑启发神经网络系统基于神经元和突触。忆阻器件已被提议作为创建神经形态计算机应用的人工突触。在本研究中,对后硅纳米电子器件及其在脑启发芯片中的应用进行了调查。首先介绍了神经网络的发展,回顾了当前典型的类脑芯片,包括以模拟电路为主的类脑芯片和全数字电路的类脑芯片,进而引出了基于后硅纳米电子器件的类脑芯片设计。然后,通过对N种后硅纳米电子器件的分析,阐述了利用后硅纳米电子器件构建类脑芯片的研究进展。最后,对基于后硅纳米电子器件构建类脑芯片的未来进行了展望。
混合纳米电子器件通过将超导体的宏观相位相干性与半导体器件的电荷密度控制相结合,为开发量子技术提供了一个有前途的平台。本论文重点研究混合纳米电子器件的建模及其在研究物质拓扑相和量子信息处理中的应用。论文的第一部分介绍了一种用于静电建模的新型无轨道方法。该方法显著提高了界面附近密度分布的精度,同时最大限度地降低了计算成本。接下来,我们使用基于对称性的非局部电导谱方法来研究多端器件中的传输测量。这种方法可以识别自旋轨道耦合的方向并检测非理想效应。然后,论文探讨了铁磁混合异质结构,它通过结合磁性绝缘体插入物来实现对有效磁场的局部控制。我们研究了超导和铁磁邻近效应的相互作用,并提出了一种用于展示拓扑超导的平面设计。我们还展示了如何使用该平台来实现可配置的 0-π 约瑟夫森结,以及如何实现非正弦电流相位关系。最后,本论文研究了以高次谐波为主的结在超导量子比特中的应用。我们提出并研究了一种耦合方案,用于在异质量子架构中纠缠奇偶校验保护的量子比特和可调谐通量的传输子。
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可重构设备提供了按需编程电子电路的能力。在这项工作中,我们展示了在后制造的钙钛矿 NdNiO 3 设备中按需创建人工神经元、突触和记忆电容器,这些设备可以通过单次电脉冲简单地重新配置为特定用途。钙钛矿镍酸盐的电子特性对氢离子局部分布的敏感性促成了这些结果。利用来自我们的记忆电容器的实验数据,储层计算框架的模拟结果显示出在数字识别和心电图心跳活动分类等任务中的出色性能。使用我们的可重构人工神经元和突触,模拟动态网络在增量学习场景中的表现优于静态网络。按需设计大脑启发计算机构建块的能力为自适应网络开辟了新的方向。C
在多个脑区同时进行神经元刺激和生物生理感测可使我们深入了解神经通路、神经递质运输和营养代谢。这里介绍了一种柔性电子设备,其触手状通道从中央无线电路辐射出去。该设备由不同的有机和无机材料制成,这些材料被制成薄膜或纳米颗粒形式。所有通道都配备了柔性组件,用于分布式和同步的光电刺激、生物电势感测和离子浓度监测。它们可以通过自适应弯曲植入不同的脑区,并单独寻址以遵循可编程的工作序列。体外和体内进行的实验结果表明,它能够产生光学或电刺激,同时感测 16 通道生物电势和分布式区域中 Ca 2 + 、Na + 和 K + 离子的浓度。行为和免疫组织化学研究表明,它可用于调节自由活动动物的脑功能。结合各种功能材料,该设备可以作为一个综合研究平台,可以模块化以满足不同的大脑研究需求,提供多种可能性和组合,以产生复杂的神经调节和行为调节。
通过AlGaN/GaN/InGaN结构实现8 W mm 1,通过N极性GaN HEMT实现94 GHz时8 W mm 1 [3]。这些结果对于商业(5G及以上、汽车雷达)和国防(SATCOM、雷达)应用越来越重要,所有这些应用都在向毫米波频率范围(30 – 300 GHz)推进。为了进一步提高GaN HEMT的优势,我们的研究小组在氮化铝(AlN)缓冲层上引入了HEMT。[4 – 6]通过用AlN替换AlGaN顶部势垒并用AlN替换典型的GaN缓冲层,AlN/GaN/AlN异质结构具有更高的热导率、改善了薄GaN通道(<30nm)的载流子限制,并且与其他传统顶部势垒材料(如AlGaN或InAlN)相比,顶部势垒具有出色的垂直可扩展性。其他研究小组也展示了基于AlN 的器件的有希望的结果,包括基于AlN 衬底的HEMT,在X 波段实现15 W mm 1 [7] ,AlN 缓冲区击穿功率为 5 MV cm 1 [8] 。已经展示了使用AlN 顶部势垒的HEMT,包括GaN HEMT 记录f T = f max 为454/444 GHz,[9 – 11] PAE 为27% ,相关输出功率为1.3 W的W 波段功率放大器,[12] 噪声系数小于2的K a 波段低噪声放大器,[13] 以及40 GHz 时为4.5 W mm 1 [14] 。所有这些器件都基于AlN/GaN/AlGaN 异质结构。 AlN/GaN HEMT 已显示出 Ga 极性 HEMT 在 W 波段的创纪录输出功率,在 94 GHz 时 P out ¼ 4 W mm 1。[15] 除了射频 (RF) HEMT 之外,氮化铝还具有单片集成大电流 GaN/AlN p 型场效应晶体管 (pFET) [16 – 18] 和晶体 AlN 体声波滤波器 [19] 的潜力,这两者都是通过 AlN 缓冲层实现的。SiC 衬底以衬底集成波导 (SIW) 和天线的形式实现了进一步的集成。[20] 这种集成生态系统被称为 AlN 平台,使高功率氮化物互补金属氧化物半导体 (CMOS)、RF 滤波器、单片微波集成电路 (MMIC) 以及 RF 波导和天线共存于一个单片芯片上。[21]
可重构设备提供了按需编程电子电路的能力。在这项工作中,我们展示了在后制造的钙钛矿 NdNiO 3 设备中按需创建人工神经元、突触和记忆电容器,这些设备可以通过单次电脉冲简单地重新配置为特定用途。钙钛矿镍酸盐的电子特性对氢离子局部分布的敏感性促成了这些结果。利用来自我们的记忆电容器的实验数据,储层计算框架的模拟结果显示出在数字识别和心电图心跳活动分类等任务中的出色性能。使用我们的可重构人工神经元和突触,模拟动态网络在增量学习场景中的表现优于静态网络。按需设计大脑启发计算机构建块的能力为自适应网络开辟了新的方向。C
通过使空间电子器件更接近其他高可靠性电子产品的先进技术和工业实践,减少空间电子器件设计和开发对环境的影响,同时满足在恶劣空间环境下运行的严格要求
1. 集成电路设计:低功耗电子器件、集成电力电子器件、毫米波和太赫兹电子器件/MMIC、通信和传感用射频集成电路、神经形态硬件等。2. 基于电荷(纳米电子学)以及自旋(自旋电子学)的器件3. 纳米材料和纳米器件科学4. 微/纳电子应用新型材料的生长5. 能源(材料和器件):无机和有机半导体光伏电池、能量收集器等6. 计算纳米电子学7. 光子学、神经形态和量子技术的材料和器件8. 纳米机械传感器和系统、NEM 与微电子集成、RF-NEM 等9. 宽带隙和其他功率半导体器件
