Proton Conducting Neuromorphic Materials and Devices

神经形态工程学 化学 质子 纳米技术 人工智能 核物理学 人工神经网络 计算机科学 物理 材料科学
作者
Yifan Yuan,Ranjan Kumar Patel,Suvo Banik,Tadesse Billo Reta,Ravindra Singh Bisht,Dillon D. Fong,Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan,Shriram Ramanathan
出处
期刊:Chemical Reviews [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.chemrev.4c00071
摘要

Neuromorphic computing and artificial intelligence hardware generally aims to emulate features found in biological neural circuit components and to enable the development of energy-efficient machines. In the biological brain, ionic currents and temporal concentration gradients control information flow and storage. It is therefore of interest to examine materials and devices for neuromorphic computing wherein ionic and electronic currents can propagate. Protons being mobile under an external electric field offers a compelling avenue for facilitating biological functionalities in artificial synapses and neurons. In this review, we first highlight the interesting biological analog of protons as neurotransmitters in various animals. We then discuss the experimental approaches and mechanisms of proton doping in various classes of inorganic and organic proton-conducting materials for the advancement of neuromorphic architectures. Since hydrogen is among the lightest of elements, characterization in a solid matrix requires advanced techniques. We review powerful synchrotron-based spectroscopic techniques for characterizing hydrogen doping in various materials as well as complementary scattering techniques to detect hydrogen. First-principles calculations are then discussed as they help provide an understanding of proton migration and electronic structure modification. Outstanding scientific challenges to further our understanding of proton doping and its use in emerging neuromorphic electronics are pointed out.
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