类脑计算小组文献分享
Nature photonics：基于光子调制电化学掺杂的有机光电突触
1、前言与背景
光电突触可以感知和记忆视觉信息，有望用于仿生眼或视觉自动化。有机场效应晶体管（OFET）因其柔韧性和生物兼容性，是构筑有机光电突触的理想模型。但是，沟道-介电层之间的电荷屏蔽作用制约了具有可编程多级记忆功能的OFET构筑。因此，在本文中，作者在有机电化学晶体管(OECT)通道中加入由供-受体异质结界面组成的光活性层，利用光子调控的电化学掺杂效应操纵离子进入光活性层，在低工作电压(<1 V)下实现了高密度的多电导态调制。
2、研究内容
仿生有机光电突触装置如图1所示，即将源极、漏极和栅极沉积在衬底上，P3HT和PCBM为供-受体异质结作为光活性层，然后将其插入OECT沟道中以构建人工视网膜的构建块，由此组成一系列光电突触装置的人工视网膜。其中，光吸收会改变电化学掺杂程度，而异质结中的光生载流子会引发离子从电解质向沟道运输以补偿电荷。因此，光可以作为突触前输入来提供突触后电信号，而光子诱导的离子扩散会产生突触行为和记忆效应(∆I)。
图1仿生视觉系统。(a) 具有图像感知、记忆和识别能力的人工视网膜示意图。(b) 生物突触示意图(左)和基于电化学晶体管的光电突触装置示意图(右)。在生物系统中(左)，信号通过一种称为突触的连接在大脑神经元之间传递，突触前神经元的动作电位触发化学神经递质释放到突触后神经元，并导致离子流动。重复的信号对话调节突触连接强度(突触重量，∆W)，这有助于人类对所感知的视觉信息的记忆。在电化学突触(右)中，光生载流子产生和离子输运导致非挥发性电流变化(∆I)。
为了验证器件功能，作者测试了获得的器件光子响应性能。如图2a所示。当对器件施加光脉冲时，观察到电流明显增加，关闭光源后电流衰减并保持在6.0 µA左右，可以利用栅极电压进行读写擦除操作，为非易失性光子存储器，并表现出高循环稳定性（图2b）。图2c展示了线性权值接近完美，这表明该器件可以实现高密度的线性电导状态。此外作者研究了可能影响突触装置光子响应的因素：光强和波长以及电压（图2d-f）。
图2突触器件的光子非易失性。(a) 有光写入(紫色区域)和电压擦除(灰色区域)的器件的特征光子响应。(b) 三个有代表性的光存储器写入周期(VG =−0.6 V, VDS =−0.8 V)和电压擦除周期(栅极电压(VG) = 0.4 V，源漏电压(VDS) =−0.8 V)。在每次写入过程中，施加连续光脉冲(7.0 mW cm−2)，持续时间(tp)为0.4 s，间隔时间(∆t)为0.23 s。放大后的视图显示了响应光脉冲的详细动态电流变化。(c) 采用缩短光脉冲(7.0 mW cm−2,tp = 0.04 s，∆t = 0.04 s)写入器件电流，实现高密度线性权值更新，并采用栅电压脉冲(VG = 0.4 V)擦除。(d) 光强调制光子响应。在关光后立即记录瞬时电流，300 s后记录记忆电流。(e) 光波长调制光子响应。 (f) 门电压调制光子响应(7.0 mW cm−2,60 s)。(g, h)，通过调节栅极电压(VG)，可以将不同光强(g)和不同光波长(h)(蓝色条)下的光子响应调制到所需的电平，以模仿人眼对不同照明条件的光学感应(紫色条)。VG =−0.6 v, VDS=−0.8 v。
同时，作者利用光子的非易失性有效模拟了人脑的突触功能，即短期可塑性、长期可塑性和经验学习性。再根据以上结果探索了光电突触的工作机制：供-受体异质结吸收光后，沟道产生光生空穴，并且伴随着电解质的阴离子转移，在沟道中进行电荷补偿。因此，由光子调制掺杂产生的较高浓度载流子将增加漏极的电流。而关闭光源时，掺杂在P3HT周围阴离子将立即停止电荷重组，这种复合延迟导致电流逐渐下降，有助于建立非易失性记忆电流。最后作者制作了4×5和64×64的突触阵列来模拟人工视网膜，实现了高达90%的激活率，验证了该类光电突触用于图像识别和分类的可行性。
3、总结与展望
作者提出了一种由光子调制电化学掺杂实现的有机光电突触模型，验证了该方法可以来实现高密度多级电导态的有机突触，并成功使用该突触单元构建了具有图像识别功能的人工视网膜，对未来开发具有大规模可编程电路的神经形态硬件以实现高效的图像识别和分类具有重大帮助。
撰稿人：刘梦雨（2023级硕士）
研究方向：类脑计算，柔性电子
校稿人：陈李珏（2017级博士生）
研究方向：单分子光电子学
编辑：苑子恒 夏钟升
