Estudo de sinapses artificiais em transistores neuromórficos de porta eletrolítica utilizando mel como eletrólito

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Oliveira, Wesley Astudillo de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Física e Astronomia
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38944
Resumo: The advances in conventional electronics have progressed significantly since the advent of the invention of transistors. However, the characteristic pace of progress in this field has been challenged, as limitations related to energy efficiency, heat dissipation, and physical constraints become increasingly difficult barriers to overcome, compromising both the continuity of miniaturization and the improvement of the performance of electronic devices. In this context, neuromorphic computing emerges as a promising alternative, as it is capable of reproducing learning, storage, and data processing mechanisms in a single physical component, based on principles inspired by the functioning of the human brain, combining efficiency with parallel information processing. In this scenario, electrolyte-gated transistors (EGTs) stand out as a class of devices capable of performing such functions when applied as neuromorphic transistors. Among them, organic electrolyte-gated transistors show great potential because they can operate at low voltages without suffering significant losses in electrical conductivity. Along this line of research, there is also a pursuit to develop devices that are sustainable in their entirety or focused on just one of their layers. This set of requirements formed the basis for the present research, where an electrolyte-gated transistor was developed and studied, focusing on the application and electrical characterization as a neuromorphic transistor, using bee honey as a sustainable electrolyte. For this purpose, measurements were taken that included transfer curves, output curves, and transient curves (output current as a function of time). The analyses of the transient curves were successful due to the properties of the honey electrolyte, which is capable of generating different electrical conduction mechanisms and ionic coupling, in addition to enabling the fabrication of low environmental impact devices, also being a low-cost option. As main results, regarding the transfer curve, it was observed that the output current showed a direct dependence on both the intensity of VDS (drain-source voltage) and the sweep rate applied to VG (gate voltage), making it possible to achieve charge transport closer to the steady state when the device operated in the linear regime (VDS = −1.0,V ) with a sweep rate of 200, mV/s. The behavior in the saturation regime (VDS = −1.8,V ) was also analyzed, a condition in which device stabilization proved more difficult. Regarding the neuromorphic character, the ability to emulate short-term synaptic plasticity behaviors and, in specific cases, long-term ones was confirmed. It is concluded that, despite the limiting factor associated with prolonged response times, it was possible to explore the neuromorphic properties of the EGT with honey as an electrolyte, consolidating its potential for use in applications that require sensing and sustainability.
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In this context, neuromorphic computing emerges as a promising alternative, as it is capable of reproducing learning, storage, and data processing mechanisms in a single physical component, based on principles inspired by the functioning of the human brain, combining efficiency with parallel information processing. In this scenario, electrolyte-gated transistors (EGTs) stand out as a class of devices capable of performing such functions when applied as neuromorphic transistors. Among them, organic electrolyte-gated transistors show great potential because they can operate at low voltages without suffering significant losses in electrical conductivity. Along this line of research, there is also a pursuit to develop devices that are sustainable in their entirety or focused on just one of their layers. This set of requirements formed the basis for the present research, where an electrolyte-gated transistor was developed and studied, focusing on the application and electrical characterization as a neuromorphic transistor, using bee honey as a sustainable electrolyte. For this purpose, measurements were taken that included transfer curves, output curves, and transient curves (output current as a function of time). The analyses of the transient curves were successful due to the properties of the honey electrolyte, which is capable of generating different electrical conduction mechanisms and ionic coupling, in addition to enabling the fabrication of low environmental impact devices, also being a low-cost option. As main results, regarding the transfer curve, it was observed that the output current showed a direct dependence on both the intensity of VDS (drain-source voltage) and the sweep rate applied to VG (gate voltage), making it possible to achieve charge transport closer to the steady state when the device operated in the linear regime (VDS = −1.0,V ) with a sweep rate of 200, mV/s. The behavior in the saturation regime (VDS = −1.8,V ) was also analyzed, a condition in which device stabilization proved more difficult. Regarding the neuromorphic character, the ability to emulate short-term synaptic plasticity behaviors and, in specific cases, long-term ones was confirmed. It is concluded that, despite the limiting factor associated with prolonged response times, it was possible to explore the neuromorphic properties of the EGT with honey as an electrolyte, consolidating its potential for use in applications that require sensing and sustainability.Os avanços da eletrônica convencional se sucederam de forma expressiva desde o advento da invenção dos transistores. Contudo, o ritmo de progresso característico dessa área vem sendo colocado à prova, na medida em que limitações ligadas à eficiência energética, dissipação de calor e a restrições físicas tornam-se barreiras cada vez mais difíceis de serem superadas, comprometendo tanto a continuidade da miniaturização quanto a aprimoramento do desempenho dos dispositivos eletrônicos. Neste contexto, a computação neuromórfica emerge como uma alternativa promissora, por ser capaz de reproduzir mecanismos de aprendizagem, armazenamento e processamento de dados em um único componente físico, a partir de princípios inspirados no funcionamento do cérebro humano, conciliando eficiência junto ao processamento paralelo de informações. Nesse cenário, os transistores de porta eletrolítica (EGT), destacam-se como uma classe de dispositivos capazes de desempenhar tais atribuições quando aplicados como transistores neuromórficos. Entre eles, os transistores orgânicos de porta eletrolítica apresentam grande potencial por operarem em baixas tensões sem sofrer perdas significativas de condutância elétrica. Junto à esta linha de pesquisa, busca-se também o desenvolvimento de dispositivos sustentáveis em sua totalidade ou focando em apenas uma de suas camadas. O conjunto destes requisitos foram base de elaboração da presente pesquisa, onde foi desenvolvido e estudado um transistor de porta eletrolítica, com foco na aplicação e caracterização elétrica de transistor neuromórfico, usando como eletrólito sustentável o mel de abelha. Para tanto, foram realizadas medidas que abrangeram as curvas de transferência, curvas de saída e curvas de transiente (corrente de saída em função do tempo). As análises de curvas de transiente foram bem sucedidas devido à propriedades do eletrólito mel que é capaz de gerar diferentes mecanismos de condução elétrica e acoplamento iônico, além de viabilizar a fabricação de dispositivos de baixo impacto ambiental, sendo ainda uma opção de baixo custo. Como principais resultados, em relação à curva de transferência, observou-se que a corrente de saída apresentou dependência direta tanto com a intensidade de VDS (tensão entre fonte e dreno) quanto com a taxa de varredura empregada sob VG (tensão aplicada no gate), sendo possível alcançar transporte de carga mais próximo ao estado estacionário quando o dispositivo operou no regime linear (VDS = −1,0 V ) com taxa de varredura de 200 mV/s. Também foi analisado o comportamento no regime de saturação (VDS = −1,8 V ), condição na qual a estabilização do dispositivo se mostrou mais difícil. Quanto ao caráter neuromórfico, constatou-se a capacidade de emular comportamentos de plasticidade sináptica de curto prazo e, em casos específicos, de longo prazo. Conclui-se que, apesar do fator limitante associado aos tempos prolongados de resposta, foi possível explorar as propriedades neuromórficas do EGT com mel como eletrólito, consolidando seu potencial de uso em aplicações que demandem sensoriamento e sustentabilidade.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Física e AstronomiaUTFPRSeidel, Keli Fabianahttps://orcid.org/0000-0002-1618-0873https://lattes.cnpq.br/0437996218263828Coutinho, Douglas Joséhttps://orcid.org/0000-0002-9924-7817https://lattes.cnpq.br/1916064207740861Seidel, Keli Fabianahttps://orcid.org/0000-0002-1618-0873https://lattes.cnpq.br/0437996218263828Cavallari, Marco Robertohttps://orcid.org/0000-0002-1345-754Xhttp://lattes.cnpq.br/9041429608835546Oliveira, Wesley Astudillo de2025-11-19T19:56:33Z2025-11-19T19:56:33Z2025-09-11info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfOLIVEIRA, Wesley Astudillo de. Estudo de sinapses artificiais em transistores neuromórficos de porta eletrolítica utilizando mel como eletrólito. 2025. Dissertação (Mestrado em Física e Astronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38944porhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2025-11-20T06:14:32Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/38944Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2025-11-20T06:14:32Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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