近日，我院高南特任研究員課題組在自旋神經(jīng)形態(tài)器件中取得新進(jìn)展，提出并驗證了基于自旋軌道力矩器件，可以實現(xiàn)對柔性可穿戴傳感信號的高效片上處理。該成果以“Flexible Spintronic Neuromorphic Devices for Sensing Signal Processing”為題，近期發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《ACS Applied Materials & Interfaces 》上。

柔性電子器件憑借其形態(tài)自由、適應(yīng)性強、輕便、低成本等優(yōu)勢，打破了傳統(tǒng)硬質(zhì)微電子器件在形態(tài)上的束縛，在生物醫(yī)療、人機交互、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有革命性意義。傳統(tǒng)的柔性電子器件利用電子的電荷屬性攜帶信息；與之不同，自旋電子器件利用電子自旋屬性進(jìn)行信息的處理、傳輸或存儲，具有非易失、低功耗、高可擦寫次數(shù)等獨特優(yōu)勢，并且在神經(jīng)形態(tài)計算方面展現(xiàn)出巨大的潛力。如果可以將自旋電子與柔性電子技術(shù)有效結(jié)合，將進(jìn)一步發(fā)揮各自的優(yōu)點，為低功耗、多場可調(diào)的可穿戴設(shè)備帶來全新的解決思路。

針對這一目標(biāo)，該課題組發(fā)展了在自支撐柔性聚酰亞胺襯底上制備高質(zhì)量磁性多層膜的方法，實現(xiàn)了低缺陷密度Pt/Co多層膜器件的制備（圖1a）。得益于其低缺陷密度，該器件具有成核位點少和疇壁移動阻力小的特點，并在小磁場下展現(xiàn)出熱激發(fā)磁矩翻轉(zhuǎn)。這一熱激發(fā)翻轉(zhuǎn)為器件帶來了本征的衰退記憶特性。此外，利用自旋軌道力矩效應(yīng)，通過施加適當(dāng)?shù)碾娏髅}沖，可以實現(xiàn)器件磁矩的部分翻轉(zhuǎn)，并且翻轉(zhuǎn)幅度與脈沖個數(shù)之間具有非線性關(guān)系（圖1b）。

圖1. (a) 器件照片 (b) 器件的非線性響應(yīng)與短時記憶特性

基于器件的衰退記憶和非線性響應(yīng)特性，結(jié)合儲池計算方案，課題組實現(xiàn)了對可穿戴傳感信號的高效識別（圖2a）：對UCI人類活動識別標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的識別準(zhǔn)確率達(dá)到了83%（圖2b），相比于不采用器件的直接回歸方案提升了21個百分點（圖2c）；進(jìn)一步對實測信號進(jìn)行識別，準(zhǔn)確率達(dá)到了90%。該工作驗證了基于自旋神經(jīng)形態(tài)器件，可以高效實現(xiàn)柔性傳感信號的片上處理，這將極大降低傳統(tǒng)技術(shù)將傳感信號無線傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行處理帶來的功耗和成本負(fù)擔(dān)，并為進(jìn)一步開發(fā)高效、智能的多功能柔性可穿戴設(shè)備打下了基礎(chǔ)。

圖2. (a) 基于器件的儲池計算流程 (b)器件識別標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的混淆矩陣 (c) 是否使用器件的識別準(zhǔn)確率對比

論文第一作者為我院博士研究生徐建康，通訊作者為高南特任研究員。此項研究工作得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊項目及國家自然科學(xué)基金項目的資助，并得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的支持。