Fabrication and electrical characterization of synaptic-transistor devices made of hybrid metal halide perovskite
Creators: name: Σιταρίδης, Δημήτριος Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: τεχνητή σύναψη
νευρομορφικό υλικό
περοβσκίτης
artificial synapse
neuromorphic hardware
perovskite

description: The exponential growth of the capabilities of artificial intelligence (AI) models comes with a rise in computational demand and corresponding energy consumption, posing profound challenges to the long-term sustainability of the planet. Neuromorphic devices, designed to mimic the synaptic plasticity and neural dynamics of biological systems, present a compelling alternative. A central component of neuromorphic hardware is the artificial synapse, with one notable approach to creating this component, being the utilization of a three-terminal synaptic-transistor device based on conventional field-effect transistor (FET) configuration. In these devices, the post-synaptic current can be modulated by a gate pulse, adjusting the conductance of the device, in a manner similar to the dynamic changes in synaptic strength observed in the brain. This thesis investigates the utilization of CH3NH3PbI3 hybrid metal halide perovskite material as the channel medium, leveraging its mixed ionic-electronic conductivity to emulate synaptic plasticity. Two different FET configurations are fabricated in a cleanroom environment. The channel dimensions are scaled down to micro- and nano-levels using electron beam lithography. Electrical characterization of the devices reveals their capability to emulate synaptic functions, through both electrical and light stimulation, highlighting the potential of halide perovskite artificial synapses for future low-energy neuromorphic applications.
description: Η εκθετική αύξηση των δυνατοτήτων των μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης συνοδεύεται από αύξηση των υπολογιστικών απαιτήσεων και της κατανάλωσης ενέργειας, θέτοντας προκλήσεις για τη μακροπρόθεσμη βιωσιμότητα του πλανήτη. Οι νευρομορφικές συσκευές, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί για να μιμούνται τη συναπτική πλαστικότητα και τη νευρική δυναμική των βιολογικών συστημάτων, παρουσιάζουν μια συναρπαστική εναλλακτική λύση για την αποτελεσματικότερη και ενεργειακά αποδοτικότερη επεξεργασία των αλγορίθμων τεχνίτης νοημοσύνης. Ένα κεντρικό στοιχείο του νευρομορφικού υλικού είναι η τεχνητή σύναψη, με μια αξιοσημείωτη προσέγγιση για τη δημιουργία αυτού του στοιχείου, η χρήση μιας διάταξης συναπτικού τρανζίστορ που βασίζεται στη συμβατική αρχιτεκτονική τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. Σε αυτές τις συσκευές, το μετασυναπτικό ρεύμα μπορεί να αναδιαμορφωθεί από έναν παλμό πύλης, ρυθμίζοντας την αγωγιμότητα της συσκευής, με τρόπο παρόμοιο με τις δυναμικές αλλαγές στη συναπτική ισχύ που παρατηρούνται στον εγκέφαλο. Η παρούσα διατριβή διερευνά την αξιοποίηση του υλικού υβριδικού περοβσκίτη αλογονιδίων μετάλλων CH3NH3PbI3 ως μέσο καναλιού, αξιοποιώντας τη μικτή ιοντική-ηλεκτρονική αγωγιμότητά του για την εξομοίωση της συναπτικής πλαστικότητας. Δύο διαφορετικές διαμορφώσεις τρανζίστορ κατασκευάζονται σε περιβάλλον καθαρού δωματίου. Οι διαστάσεις των καναλιών συρρικνώνονται για πρώτη φορά σε διαστάσεις της κλίμακας των νανομέτρων με την τεχνική της λιθογραφίας δέσμης ηλεκτρονίων. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των διατάξεων αποκαλύπτει την ικανότητά τους να μιμούνται συναπτικές λειτουργίες, τόσο μέσω ηλεκτρικής όσο και φωτεινής διέγερσης, αναδεικνύοντας τις δυνατότητες των τεχνητών συνάψεων αλογονιδίων περοβσκίτη για μελλοντικές νευρομορφικές εφαρμογές χαμηλής ενέργειας.