基于二维材料的模糊逻辑器件新突破！

【研究背景】

随着物联网和边缘计算的快速发展，数据处理和分析逐渐从集中式数据中心转向网络边缘，以提高响应速度、减少带宽需求和降低功耗。在这一背景下，模糊逻辑系统（FLS）因其能通过简单、直观的规则处理复杂系统，广泛应用于工业控制、健康监测、非线性建模等多个领域。与传统的数字处理系统相比，FLS在处理不确定信息和动态适应环境变化方面表现出显著优势。然而，模糊逻辑系统的硬件实现，特别是其隶属函数生成器（MFG）的可重构性，仍面临电路复杂性高和功耗大的挑战。这些问题限制了FLS在智能网络中的更广泛应用，亟需新的技术解决方案。

鉴于此，美国南加利福尼亚大学Hefei Liu, Jiahui Ma以及中国科学院半导体所Jiangbin Wu等，美国西北大学Mark C. Hersam，香港大学Han Wang等携手在模糊逻辑系统的硬件实现方面取得了新进展。他们设计并制备了一种基于二硫化钼/石墨烯异质结构的多栅范德华界面结晶体管（vdW-IJT），该器件能够生成可调的高斯型和π型隶属函数。通过精确调节施加在两个栅极端子上的偏置电压，研究团队成功实现了具有可调形状和参数的隶属函数。进一步地，他们将这一模糊化器与推理引擎和解模糊器集成，构建了完整的模糊逻辑硬件系统。

利用这一创新的硬件设计，团队显著提高了模糊逻辑系统的性能，并成功实现了模糊比例积分微分（PID）控制功能。这一系统能够生成多样化的非线性控制曲面，以满足不同应用场景的需求。此外，研究团队还将模糊逻辑系统与三层卷积神经网络（CNN）结合，构建了模糊神经网络（FNN），用于图像分割任务。通过引入模糊模块，该网络在处理小而重要的对象时，提升了图像分割的准确性，成功获得了更优的图像处理结果。这一研究为模糊逻辑系统在边缘计算和智能网络中的应用提供了新的思路和方法，具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

【表征解读】

在本文中，作者通过多种先进的表征手段，深入探讨了基于范德华异质结的横向接面晶体管（vdW-IJT）的电学性能及其潜在应用。首先，利用拉曼光谱（Renishaw inVia microRaman spectrometer），作者观察到了MoS₂通道和石墨烯界面之间的电荷转移现象，这一发现揭示了范德华异质结的形成机制及其对器件性能的影响。通过对拉曼光谱的分析，能够确认材料的晶体质量以及应力状态，为后续的器件特性提供了重要依据。

针对vdW-IJT中出现的电流放大和电流分流行为，作者采用了开尔文探针力显微镜（Bruker Dimension Icon）进行表征。这一微观表征手段揭示了在MoS₂/石墨烯界面处的电势分布和能级对齐情况，进而解析了器件的工作机制。此外，通过电流-电压（I-V）特性测量，结合低温下的探针站（Lakeshore TTPX）和半导体分析仪（Keysight B1500A），作者获得了vdW-IJT的电流传输特性曲线，这为进一步理解其非线性特性提供了重要的数据支持。

在此基础上，作者探讨了模仿横向双极晶体管（BJT）的器件操作机制，通过建立与BJT相似的模型来模拟vdW-IJT的I-V特性。通过这一理论模型，作者深入分析了界面接触特性及其对器件性能的影响，最终揭示了vdW-IJT在多栅结构下实现可调高斯型和π型模糊隶属函数（MFs）的能力，这为模糊逻辑系统（FLS）的实现奠定了理论基础。

为验证作者的理论推导和实验结果，作者开发了集成vdW-IJTs与外围CMOS电路的硬件可重构模糊PID控制器。通过对工作电压的精细调节，作者能够实现广泛的模糊隶属函数，以适应复杂多变的控制环境。这一创新设计不仅展示了vdW-IJT在智能边缘计算应用中的优势，也为神经符号系统的实现提供了新的可能。

总结而言，通过多种表征手段的综合应用，作者深入分析了vdW-IJT的电学特性及其微观机理，进而实现了新材料的制备。最终，这些研究推动了模糊逻辑系统的发展，为未来在智能边缘计算及非线性控制领域的应用提供了新的技术路径和理论依据。

【图文速递】

图1: 范德华van der Waals 界面结式晶体管interfacial junction transistor，vdW-IJT器件结构、PL光谱和电学特性。

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图2:多栅极vdW-IJT器件结构和高度可调的电学特性。

图3:模糊PID控制器的硬件实现。

图4: 用于图像分割的模糊神经网络fuzzy neural network，FNN。

图5:传统CMOS方法之间的可重构隶属函数生成器membership function generator，MFG比较。

【科学启迪】

本文揭示了MoS₂和石墨烯界面处的电荷转移机制，说明了材料间的相互作用对器件性能的深远影响。这一发现不仅丰富了范德华材料的研究领域，也为其他二维材料的异质结设计提供了参考。

其次，通过 vdW-IJT 的电流放大和分流特性，作者展示了新型器件在非线性控制和模糊逻辑系统中的潜力。这表明，利用范德华材料的独特性质，可以实现更高效、灵活的电子元件，为未来的智能边缘计算和神经符号系统奠定了基础。

最后，本文所采用的多种表征技术，如拉曼光谱和开尔文探针力显微镜，展现了材料分析与器件性能之间的紧密联系。这为科研人员在开发新材料和器件时提供了多维度的思路和方法。

原文详情：Liu, H., Wu, J., Ma, J. et al. A van der Waals interfacial junction transistor for reconfigurable fuzzy logic hardware. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01256-3