Diseño de modo conmutable cv-OECT. YUna comparación entre un sistema nervioso biológico y un sistema nervioso artificial basado en cv-OECT, donde cv-OECT puede actuar como un receptor volátil y una sinapsis no volátil. Las micrografías ópticas muestran la vista superior de v-OECT (barra de escala, 100 μm). barquitectura del dispositivo v-OECT; los dos cuadros punteados muestran la contribución de iones volátiles/no volátiles y la estructura química de PTBT-p, respectivamente. CImágenes crio-EM de películas recocidas térmicamente a 200 °C (TA) y películas fundidas de PTBT-p. dCurvas de transferencia de cv-OECT con electrodo de puerta polarizable/no polarizado. a mi, Absorbancia normalizada 0–1 en función del potencial de dopaje; el recuadro muestra la configuración para la medición UV-vis. Los pasos I y II corresponden al dopaje de regiones amorfas y cristalinas, respectivamente. FLos espectros UV-vis resueltos en el tiempo de los canales se corresponden bien con la eficiencia del dispositivo. gramo, espectros XPS de canales de p-OECT moldeados y recocidos dopados en LGP y HGP. Las líneas rosa y azul son señales z [TFSI−] antes y después del grabado a 30 nm. hPerfil GIWAXS unidimensional de muestras de láminas recocidas. Antes de la medición, las muestras se doparon con LGP o HGP y luego se molieron. El desplazamiento reversible del pico (100) entre el estado de alta/baja resistencia (HRS/LRS) sugiere que los aniones están firmemente incrustados entre las cadenas laterales del glicol en la región cristalina. Y, Diagrama que explica el mecanismo de cambio de modo. Las dimensiones especiales del canal y la cristalización proporcionan una alta barrera eVb entre dos estados iónicos (1 y 2), lo que resulta en un comportamiento no volátil. Vb es la polaridad del voltaje que impulsa a los iones a superar la barrera. LGP solo puede inyectar iones en regiones amorfas y provocar un comportamiento volátil. Cuando se utiliza una puerta no polarizable, los contraiones no pueden reducirse en la puerta y, por lo tanto, migran al canal y los neutralizan debido al campo eléctrico inverso, lo que hace que el dispositivo sea inestable. Préstamo: Electrónica de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00950-y
En los últimos años, los ingenieros electrónicos han estado tratando de desarrollar un nuevo hardware inspirado en el cerebro que pueda ejecutar modelos de inteligencia artificial (IA) de manera más eficiente. Si bien la mayoría de los equipos existentes se especializan en detectar, procesar o almacenar datos, algunos equipos están explorando la posibilidad de combinar estas tres funciones en un solo dispositivo.
Investigadores de la Universidad Xi’an Jiaotong, la Universidad de Hong Kong y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Xi’an han presentado un nuevo transistor orgánico que puede actuar como sensor y procesador. Este transistor, presentado en un artículo publicado en Electrónica de la naturalezase basa en una arquitectura transversal vertical y un canal cristalino amorfo que se puede dopar selectivamente con iones, lo que permite cambiar entre dos modos reconfigurables.
“El hardware de inteligencia artificial (IA) convencional utiliza sistemas separados para detectar, procesar y almacenar datos”, dijo Tech Xplore Prof. Wei Ma y el Prof. Zhongrui Wang, los dos investigadores que realizaron el estudio.
“Esta separación a menudo conduce a un consumo de energía significativo y demoras de tiempo debido a la necesidad constante de transferir datos entre diferentes componentes de hardware y convertir secuencialmente señales analógicas en digitales. Algunas investigaciones innovadoras han resaltado las notables capacidades de detección y memoria analógica de los transistores electroquímicos orgánicos (OECT)”.
El objetivo inicial de la investigación reciente de los investigadores era desarrollar un OECT que pudiera actuar tanto como sensor como como procesador, ya que dicho dispositivo podría permitir la creación de hardware de IA más homogéneo y eficiente. Los OECT son dispositivos electrónicos orgánicos de película delgada que funcionan como transistores. Su pequeño grosor los hace particularmente prometedores para el desarrollo de bioelectrónica inteligente, como dispositivos portátiles o implantables y equipos neuromórficos.
La OECT desarrollada por Wang, Chen y sus colegas tiene dos modos de operación diferentes, a saber, el modo de detección y el modo de procesamiento. Estos dos modos diferentes están respaldados por el dopaje iónico selectivo de un canal amorfo cristalino dentro del dispositivo.
“En el modo de detección, los iones en el electrolito, impulsados por la señal fisiológica, migran hacia la estructura cristalina, pero pueden difundirse fácilmente hacia el electrolito, manteniendo el canal en un estado de baja conductividad”, explicó Wang. “En el modo de procesamiento, estos iones pueden quedar ‘atrapados’ por la estructura cristalina, manteniendo el canal en un estado altamente conductivo. Esta funcionalidad dual hace que nuestro dispositivo OECT sea único y eficiente”.
Para fabricar la OECT, los investigadores utilizaron una serie de técnicas y procesos simples, incluida la evaporación térmica, el recubrimiento de solución de las palas, el recocido térmico y el grabado con iones reactivos. Dado que todas estas técnicas son rentables, pueden facilitar la fabricación a gran escala del dispositivo.
“Nuestro dispositivo también cuenta con una versatilidad impresionante”, dijo Wang. “Como sensor, puede detectar todo tipo de señales, como las de electrofisiología, productos químicos, luz y temperatura. Además, como unidad de memoria, ofrece una serie de beneficios, como la capacidad de almacenar estados analógicos de 10 bits, baja aleatoriedad de conmutación y retención de estado de más de 10 000 segundos. Esto hace que nuestro dispositivo OECT sea una herramienta versátil en el mundo de la IA”.
Wang, Chen y sus colegas evaluaron su dispositivo y su capacidad para cambiar entre diferentes modos de operación en una serie de experimentos. Descubrieron que la dinámica de su OECT podía modularse de manera efectiva, lo que le permitía funcionar bien como sensor y como procesador.
Como sensor, el dispositivo puede detectar diferentes tipos de estímulos, incluidos iones y luz. Como procesador, es capaz de estados analógicos de 10 bits mientras conserva bien esos estados.
“El novedoso dispositivo que desarrollamos tiene dos modos de operación diferentes debido a dónde quedan atrapados los iones”, dijo Shijie. “Como resultado, actúa como un sensor y un procesador. Esta reconfigurabilidad está inspirada en la biología, que también hace que el futuro hardware neuromórfico sea más versátil y flexible”.
En el futuro, el transistor creado por este equipo de científicos se podrá utilizar para crear dispositivos neuromórficos avanzados que podrán recopilar y procesar varios tipos de datos. Como parte de su investigación, Wang, Chen y sus colegas demostraron que podría usarse para diagnosticar enfermedades cardíacas en tiempo real, y su próximo trabajo podría explorar aplicaciones más prometedoras.
“Ahora estamos planeando mejorar nuestra tecnología de fabricación para crear una matriz OECT a gran escala”, agregó Wang. “Esto sentará las bases para sensores de procesamiento de redes neuronales totalmente integrados. Las aplicaciones potenciales de esta tecnología son amplias y podrían revolucionar campos como el de la salud. Por ejemplo, podría permitir el diagnóstico de enfermedades en tiempo real utilizando el propio equipo, un avance que podría aumentar considerablemente la velocidad y la precisión en entornos médicos”.
Más información:
Shijie Wang et al., Transistor electroquímico orgánico para detección, memoria y procesamiento multimodal, Electrónica de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00950-y
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