清华邹贵生教授/刘磊副教授/霍金鹏助理研究员Adv. Funct. Mater.：飞秒激光双向调控CuInP2S6离子动力学实现高鲁棒性神经形态计算

• 第一作者：彭锦
• 通讯作者：刘磊副教授、霍金鹏助理研究员
• 通讯单位：清华大学机械工程系清洁高效透平动力装备全国重点实验室、先进成形制造教育部重点实验室
• 原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202504334

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受生物神经元高效性与鲁棒性启发，基于离子的神经形态器件在人工智能领域展现出巨大潜力，但其性能受离子动力学随机性的限制。本研究通过飞秒激光处理CuInP2S6（CIPS）二维材料，实现了离子动态的差异化调控。在低电导态下，飞秒激光增强离子迁移率，模拟短期突触可塑性；在高电导态下，激光通过离子重分布抑制导电通路，提升器件长期稳定性。通过电-光-飞秒激光协同调控，器件实现了协同增强的突触功能。基于此构建的脉冲神经网络（SNN）在MNIST手写数字识别任务中准确率从92.5%提升至98.2%。该研究为二维铁电离子材料的仿生调控及鲁棒神经形态计算系统提供了新的思路。

背景介绍

传统计算机受冯·诺依曼瓶颈限制，而类脑计算通过模拟生物突触的离子动态实现高效信息处理。二维范德华材料CIPS兼具铁电性与离子导电性，但其离子迁移的不可控性导致器件性能波动。现有研究多依赖外部晶体管调控来实现器件性能的稳定性，但牺牲了器件的可扩展性与集成度。因此，在不增加额外元件的情况下实现离子型器件的性能稳定性，对构建高鲁棒性的神经形态计算硬件至关重要。

研究出发点

1. 本研究揭示了飞秒激光对CuInP2S6（CIPS）离子动态的差异化调控机制。在低电导态下，激光通过局域热效应激活Cu+离子迁移率（激活效应），显著提升器件的瞬态响应能力；而在高电导态下，激光通过诱导离子重分布破坏传导路径（抑制效应），有效抑制电导的过度增长。这种“导电态依赖”调控策略精准模拟了生物突触的动态平衡特性。
2. 实现了对于生物神经系统中稳态可塑性的仿生。激活效应通过增强突触后电流模拟短期可塑性，支持快速信息处理；抑制效应通过降低循环变异性，优化器件的长期稳定性，从而模拟生物神经系统的稳态可塑性。两种效应确保突触权重在动态环境中维持稳定。
3. 通过整合电场（模拟突触前信号）、光激发（增强离子迁移）与飞秒激光（动态调控离子分布）的协同作用，器件在复杂任务中展现出卓越的适应性。基于此构建的脉冲神经网在MNIST手写数字识别任务中，准确率从92.5%提升至98.2%，验证了该策略在神经形态计算中的实际效能。

图文解析

在生物突触中，通过突触前神经元释放神经递质，激活突触后离子通道来实现信号传递功能。本研究中构建了基于CIPS的双端人工神经突触器件用以模拟信号传递过程。在实际的生物神经系统中，当神经元突触传递或兴奋性持续改变时，细胞会诱导突触传递或兴奋性向与原有变化相反的方向调整，从而使得突触传递或兴奋性维持在相对稳定的水平，以保证神经元之间的正常信息传递，即稳态可塑性。本研究中通过采用飞秒激光调控策略，实现了人工神经突触器件中的稳态可塑性模拟：低电导态下，飞秒激光会提升CIPS中Cu+的可迁移性，增强突触后电流（激活态）。在高电导态下，飞秒激光将抑制离子导电通路，实现电导态的长期稳定。