Un cristal de van der Waals configurable permet de reproduire le fonctionnement d'une cellule neuronale artificielle à l'aide de la lumière

Les progrès rapides de l'intelligence artificielle et de l'hyperconnectivité nécessitent des systèmes de vision neuromorphiques capables de détecter et de traiter de vastes quantités de données visuelles en temps réel. Les synapses optoélectroniques, qui présentent des variations de conductance en réponse à des signaux lumineux, constituent les composants essentiels de ces systèmes. Les matériaux vdW en couches ont suscité un vif intérêt en tant que candidats prometteurs en raison de leurs excellentes propriétés optiques et de leur épaisseur à l'échelle atomique. Cependant, les matériaux vdW conventionnels se heurtaient à des défis techniques, notamment la difficulté à contrôler avec précision les joints de grains et l'intercalation, l'accumulation de résidus de polymères, le gauchissement mécanique aux interfaces et la faible uniformité cristalline sur de grandes surfaces.

Pour surmonter ces limites, l'équipe de recherche s'est concentrée sur la similitude structurelle entre les canaux ioniques photosensibles des membranes biologiques et les réseaux vdW en couches. Les chercheurs ont appliqué un procédé de sulfuration par plasma d'argon et de sulfure d'hydrogène (Ar + H₂S) au séléniure de rhénium (ReSe₂) de van der Waals en vrac. Ce procédé en une seule étape a transformé la partie supérieure du matériau en une couche de ReSe₂ nanocristalline composée de grains nanométriques, tout en préservant la couche de ReSe₂ monocristallin sous-jacente sans endommager les interfaces entre les couches. Ces deux couches intégrées correspondent structurellement aux canaux ioniques photosensibles d'une membrane cellulaire neuronale et à l'environnement intracellulaire, respectivement, et ont été fabriquées sans étapes supplémentaires de dépôt ou de structuration.

L'équipe de recherche a utilisé la microscopie à sonde à balayage (SPM) pour déterminer les voies de migration ionique du S²⁻ (soufre). Les joints de grains de la couche de ReSe₂ nanocristallin ont confiné le transport ionique du soufre à l'échelle atomique, permettant un contrôle déterministe des mises à jour du poids synaptique, similaire au mécanisme de gating des canaux ioniques biologiques. Le dispositif a démontré des fonctionnalités synaptiques clés, notamment la modulation de conductance à plusieurs niveaux, la potentialisation/dépression à long terme (LTP/LTD), la facilitation par paires d'impulsions (PPF) et une transition réglable entre la mémoire à court terme et la mémoire à long terme (STM-LTM). Le dispositif en ReSe₂ nanocristallin a affiché une augmentation de 34,7 % de l'efficacité de rétention au cours des cycles d'apprentissage-oubli-réapprentissage par rapport au ReSe₂ massif. Lors d'évaluations au niveau du système, le dispositif a réussi la détection des contours sur des images naturelles et a atteint une précision de classification de 96,24 % lors de la tâche de reconnaissance d'images CIFAR-10. Ce développement offre une plateforme de matériaux pour les semi-conducteurs neuromorphiques et le matériel d'IA de nouvelle génération.

« Cette étude présente une méthode en une seule étape pour concevoir la structure de cristaux de van der Waals destinés à des dispositifs synaptiques optoélectroniques qui apprennent et stockent des informations à l’aide de la lumière », a déclaré le professeur Taesung Kim, auteur correspondant de l’étude. « En résolvant structurellement la nature aléatoire de la migration ionique et les problèmes d'interface inhérents aux dispositifs conventionnels, cette architecture peut être appliquée à la recherche sur les semi-conducteurs neuromorphiques de nouvelle génération et le matériel d'IA. »