수직형 분자 트랜지스터에서의 시냅스 특성을 연구한 결과가 ‘ACS Nano’ 지에 게재되었다. 분자 전자 소자 분야에서는 기능성 분자를 이용한 전자회로의 기본 요소를 구현하는 기존의 목표를 넘어, 생물학적 신경망의 동작을 모사하는 뉴로모픽 전자소자 구현으로 연구 영역을 확장하고 있다. 본 연구에서는 시냅스 가소성과 아날로그 전도 상태를 갖는 3단자 산화•환원 활성 분자 트랜지스터를 보고하였다. 사용된 분자 트랜지스터는 페로센 알켄싸이올 자기조립단분자층(self-assembled monolayer)을 활성 채널로 사용하였으며, 단층 그래핀 소스 전극과 금 드레인 전극 사이에 수직 구조로 구성되었고, 채널 전도도가 이온젤 게이트에 의해 조절된다. 소자에 게이트 전압 펄스를 인가함에 따라 쌍펄스 촉진(paired-pulse facilitation; PPF)과 같은 단기 시냅스 가소성뿐만 아니라, 반복 자극에 의해 장기 가소성으로 전이되는 뉴로모픽 거동이 관찰되었다. 또한 대조군 실험을 통해 페로센 분자의 가역적인 산화•환원 반응 및 이온과의 상호작용이 비휘발성 기억 상태를 구현하는 핵심 매커니즘임을 제안하였다. 또한, 게이트 펄스 조건에 따라 시냅스 업데이트 특성이 달라지는 다중 전도 상태를 구현하였으며, 이를 기반으로 한 MNIST 신경망 시뮬레이션에서 약 88%의 패턴 인식 정확도를 달성하였다. 이러한 결과는 읽기/쓰기 동작이 분리 가능한 3단자 수직 분자 트랜지스터가 분자 수준 뉴로모픽 하드웨어를 위한 유망한 플랫폼임을 보여준다.

We report a three-terminal, ion-gel-gated, redox-active molecular transistor that exhibits synaptic plasticity and analog conductance states. The device was composed of a ferrocene-terminated alkanethiolate self-assembled monolayer as the active channel, vertically sandwiched between a monolayer graphene source and a Au drain, and the channel conductance was modulated by an ion-gel gate. Gate voltage pulses induce an electric double layer at the ion​-​ ​gel/graphene interface, triggering dynamic postsynaptic-like current responses. Our device exhibited neuroinspired plasticity, including short-term plasticity like paired-pulse facilitation and a programmable transition to long-term plasticity upon repeated stimulation. The ferrocene redox moiety was identified as the key enabler of nonvolatile switching behavior, mediating a dynamic, voltage-programmable conductance change via a synergistic mechanism of reversible redox and ion trapping. In contrast, alkanethiolate control devices without a ferrocene moiety exhibited only volatile, transient responses. We achieved multilevel conductance states with synaptic update characteristics depending on gate pulses, a crucial attribute for the learning process. As a proof of concept, a neural network simulated with our molecular synaptic transistor achieved ∼88% accuracy in MNIST pattern recognition, even after a single training epoch. These results establish vertical molecular transistor systems as promising building blocks for molecular-level neuromorphic hardware, with a three-terminal, read/write-decoupled architecture that exhibits synaptic behavior and helps overcome read-disturb of two-terminal memristive schemes.

Authors: Jongwoo Nam∥, Minwoo Song∥, Hyemin Lee∥, Changjun Lee, Donguk Kim, Gunuk Wang, Keehoon Kang*, and Takhee Lee* (∥Equally first authors, *co-corresponding authors)

DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c17016

Published online: December19, 2025

Link: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c17016