Cristal de van der Waals configurável permite a imitação de células neuronais artificiais através da luz
Processo de plasma em uma única etapa produz sinapse optoeletrónica para visão neuromórfica empilhável em 3D
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Uma equipa de investigação liderada pelo professor Taesung Kim, da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Sungkyunkwan (SKKU, reitor Ji-beom Yoo), desenvolveu um dispositivo sináptico optoeletrónico que imita as funções dos neurónios e sinapses humanos à escala do dispositivo. Os investigadores conceberam um cristal de van der Waals (vdW) configurável através de um processo de sulfurização em uma única etapa, utilizando plasma misto. O dispositivo desenvolvido opera sob estímulos óticos, oferecendo uma solução estrutural para configurar materiais semicondutores para computação inspirada no cérebro.
Os rápidos avanços na inteligência artificial e na hiperconectividade exigem sistemas de visão neuromórficos capazes de detetar e processar vastas quantidades de dados visuais em tempo real. As sinapses optoeletrónicas, que apresentam variações de condutância em resposta a sinais de luz, servem como componentes centrais destes sistemas. Os materiais vdW em camadas atraíram uma atenção significativa como candidatos promissores devido às suas excelentes propriedades óticas e espessura à escala atómica. No entanto, os materiais vdW convencionais enfrentavam desafios técnicos, incluindo a dificuldade de controlar com precisão os limites de grão e a intercalação, a acumulação de resíduos de polímeros, a deformação mecânica nas interfaces e a fraca uniformidade cristalina em grandes áreas.
Para superar estas limitações, a equipa de investigação centrou-se na semelhança estrutural entre os canais iônicos sensíveis à luz nas membranas biológicas e as redes vdW em camadas. Os investigadores aplicaram um processo de sulfurização por plasma de argônio e sulfureto de hidrogénio (Ar + H₂S) ao seleneto de rênio (ReSe₂) de van der Waals em massa. Este processo de etapa única transformou a parte superior do material numa camada nanocristalina de ReSe₂ composta por grãos nanométricos, preservando simultaneamente a camada subjacente de ReSe₂ monocristalino em massa, sem danificar as interfaces entre camadas. Estas duas camadas integradas correspondem estruturalmente aos canais iônicos sensíveis à luz de uma membrana celular neuronal e ao ambiente intracelular, respectivamente, e foram fabricadas sem etapas adicionais de deposição ou padronização.
A equipa de investigação utilizou microscopia de sonda de varredura (SPM) para determinar as vias de migração iônica do S²⁻ (enxofre). Os limites de grão na camada de ReSe₂ nanocristalino confinaram o transporte iônico de enxofre à escala atômica, permitindo o controle determinístico sobre as atualizações do peso sináptico, semelhante ao mecanismo de ativação dos canais iônicos biológicos. O dispositivo demonstrou funcionalidades sinápticas essenciais, incluindo modulação de condutância multinível, potenciação/depressão de longo prazo (LTP/LTD), facilitação de pulsos emparelhados (PPF) e uma transição ajustável da memória de curto prazo para a de longo prazo (STM-LTM). O dispositivo de ReSe₂ nanocristalino apresentou um aumento de 34,7% na eficiência de retenção durante ciclos de aprendizagem-esquecimento-reaprendizagem, em comparação com o ReSe₂ em massa. Em avaliações ao nível do sistema, o dispositivo realizou com sucesso a deteção de contornos em imagens naturais e alcançou uma precisão de classificação de 96,24% na tarefa de reconhecimento de imagens CIFAR-10. Este desenvolvimento oferece uma plataforma de materiais para semicondutores neuromórficos de próxima geração e hardware de IA.
«Este estudo demonstra um método de uma única etapa para projetar a estrutura de cristais de van der Waals para dispositivos sinápticos optoeletrónicos que aprendem e armazenam informações usando luz», disse o professor Taesung Kim, autor correspondente do estudo. «Ao resolver estruturalmente a natureza aleatória da migração iônica e as questões interfaciais inerentes aos dispositivos convencionais, esta arquitetura pode ser aplicada à investigação sobre semicondutores neuromórficos de próxima geração e hardware de IA.»
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Jinhyoung Lee, Gunhyoung Kim, Dongho Lee, Seowoo Son, Hyunho Seok, Sihoon Son, Hyunbin Choi, Geonwook Kim, Geumji Back, Hyunkyu Kim, Chaerin Park, Junmin Ahn, Seongyun Je, Chaeyoung Im, Junil Cho, Magdalena Grzeszczyk, Seongho Kim, Eunseo Go, Hyunwoo Shim, Donghwan Choi, Muyoung Kim, Hyoeng‐U. Kim, Won‐Jun Jang, Taesung Kim; "Designable van der Waals Crystal for Artificial Neuronal Cell Mimicking"; Advanced Materials, 2026-6-3
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