【国内论文】JMST丨浙江理工吴超副研究员、郭道友教授、内蒙古大学刘增研究员团队：β-Ga₂O₃人工轴突-多突触器件实现日盲紫外神经形态计算

        由浙江理工大学吴超副研究员、郭道友教授、内蒙古大学刘增研究员的研究团队在学术期刊 Journal of Materials Science & Technology 发布了一篇名为 Synaptic dynamics anisotropy in β-Ga₂O₃ artificial axon-multi-synapse for neuromorphic applications（β-Ga₂O₃ 突触动力学各向异性及人工轴突-多突触器件）的文章。

        Journal of Materials Science & Technology（JMST）‌是中国材料科学领域的权威英文期刊，创刊于 1985 年，现为旬刊，由 Elsevier 合作出版。该期刊以高影响因子和中科院一区 Top 期刊地位著称（IF=16.8），重点关注金属材料、高分子材料等领域的前沿研究。旨在加强材料科学与技术科学活动的国际交流，重点关注无机非金属材料、半导体材料、金属材料、高分子材料等领域的前沿研究。

        神经形态计算借鉴生物神经系统架构，具备低功耗、并行处理的突出优势，突触是神经元之间完成信号传递的核心功能单元。生物神经网络中存在轴突-多突触结构，单个神经元可以同时接收、整合来自多条通路的信号，依靠突触之间本征异质性实现复杂的信息编码与模式识别。

        目前人工突触器件研究大多聚焦轴突-单突触结构，器件整体性质趋于均一，难以复现生物体系多分支、多通道协同调控特性。现有各向异性人工轴突-多突触器件大多基于二维材料体系，但二维材料制备工艺复杂、规模化拓展受限，制约硬件实用化进程。

        β-Ga₂O₃ 属于低对称单斜晶系超宽禁带半导体，晶体不同取向的原子排布、氧空位形成与迁移行为存在显著各向异性；氧空位缺陷可以通过生长、退火、光激励实现调控，能够模拟生物突触神经递质动态调节过程。同时 β-Ga₂O₃ 本征吸收边落在日盲深紫外波段，无需复杂滤光片即可实现日盲探测。利用材料晶体各向异性，有望在同一片薄膜上单片集成多个人工突触，实现轴突-多突触功能，为高性能光电神经形态器件提供新方案。

        轴突-多突触是生物神经网络的关键结构，能够让单个神经元同时接收、整合并分发来自多条通路的信号。因此，在人工突触器件中复现这种固有的连接异质性具有十分重要的意义，但该方向的研究仍处于早期阶段，目前仅有少量基于二维材料体系的相关报道。本文采用 β-Ga₂O₃ 薄膜，首次将人工轴突-多突触器件拓展至氧化物半导体体系。受取向相关的氧空位陷阱态分布与动力学特性影响，沿不同晶体学方向制备的器件表现出差异化的突触强度与可塑性行为。在单片薄膜上实现三个突触通道的单片集成，每个通道均展现典型突触特性，包括短期可塑性（STM）、成对脉冲易化（PPF）以及学习行为，电流各向异性比高达 900%。该人工轴突-多突触器件可实现高级神经形态应用，不同通道可并行完成手写数字识别任务。更为重要的是，结合光强、时间信息并利用 β-Ga₂O₃ 的日盲光响应特性，该轴突-多突触系统实现动态运动识别；无噪声条件下识别精度高于 98%，即便输入噪声达到 50%，识别精度仍可维持 80% 以上。本研究为将本征异质性引入人工光电神经形态系统迈出重要一步。

        ① 首次基于 β-Ga₂O₃ 氧化物半导体实现深紫外光电型轴突-多突触器件；借助第一性原理计算揭示氧空位形成能的各向异性，解释取向依赖突触动力学的物理起源；器件具备短期-长期记忆转变、成对脉冲易化等完整突触行为。

        ② 在单片薄膜上通过 45° 间隔斜向电极构型构建 3 个突触通道，实现单输入刺激耦合多突触通道，通道之间突触对比度超过 900%，不同通道展现差异化脉冲依赖可塑性。

        ③ 将轴突-多突触器件体系从二维材料拓展到氧化物半导体，各向异性比、突触前后电流比两项关键指标优于已报道同类器件。

        ④ 利用不同通道差异化突触动力学与时空编码能力，实现日盲紫外下平面六类运动轨迹识别；无噪声识别精度大于 98%，50% 输入噪声条件下仍保持 80% 以上识别精度。

        ⑤ 证明 β-Ga₂O₃ 晶体本征各向异性可以直接赋予器件取向依赖的计算能力，为构建具有本征异质性的光电神经形态感知-计算一体化硬件提供新路径。

        综上，本文展示了基于各向异性 β-Ga₂O₃ 光电突触的轴突-多突触神经形态系统。利用 β-Ga₂O₃ 本征低对称晶体结构，实现了取向相关的氧空位形成以及陷阱动力学行为，在单片薄膜内部得到异质的突触耦合强度。本工作将 β-Ga₂O₃ 突触器件从传统轴突-单突触结构与静态任务进一步拓展。该方案为面向多功能、高鲁棒性、低功耗神经形态感知系统提供可规模化实现的技术路径。

        本研究得到国家自然科学基金（No. 62304205、52300145、62274148、62374147、62564011、U23A20349）、浙江省自然科学基金（LQ24F040002、ZCLQN26F0403）、浙江理工大学科研基金（25062169-Y）、杭州市自然科学基金（No. 2024SZRZDF040001）、内蒙古自治区自然科学基金青年科学基金（A 类）（No. 2026QA016）资助。