Advanced Functional Materials:面向神经形态计算和人工视觉系统的光电子突触

突触作为人脑神经系统中信息传递的载体,是完成信息处理与存储的关键部位。为了实现人脑的计算方式,研究人员利用第四种无源器件——忆阻器,在电学层面模拟了生物突触的传导行为。传统的忆阻器基电突触通过调制电场来实现突触行为,然而,电操作的易损性以及高噪声等缺陷导致了其应用的局限性。最近,研究人员在电突触的基础上,引入外界光信号对忆阻器的电学行为进行了有效调制,实现了光电诱导的突触可塑性,这种新型的光电子突触器件为实现神经形态计算提供了新途径。

除此之外,受益于光电子突触对光信号的敏感性,研究人员还将其与人类的视觉记忆系统联系起来。研究表明,在人类接受的外部信息中,近80%都是通过光传递的。因此构建视觉记忆系统以对视觉信息进行有效处理与存储,是实现仿生神经形态机器人必不可少的一部分。最近相关工作报道了一系列光电子突触在构建人工视觉系统上的广阔前景。然而,当前大部分所提出的光电子突触具有感知与记忆功能分离的复杂器件结构以及实现视觉功能时需要电压调控的复杂操作。

济南大学李阳教授课题组联合中国科学院半导体所超晶格国家重点实验室沈国震研究员课题组设计并实现了一种结构简单的Al/TiNxO2–x/MoS2/ITO异质结基光电子突触。该项研究中,研究团队首先利用光电对异质结势垒的调控作用实现了器件在光与电诱导下的突触可塑性。其次,在固定读电压下,通过施加光刺激成功地实现了长时记忆、短时记忆和学习-遗忘-再学习等多种高级突触功能。此外,通过调节施加在4×4突触阵列上的光照强度和光照次数,有效地实现了与视觉感知和视觉记忆功能相关的光信息感知和记忆。该研究工作在神经形态计算和人类视觉系统模拟中都显示出巨大的潜力,并将促进电子眼和光驱动的神经机器人学等应用的发展。

论文信息:

Artificial Optoelectronic Synapses Based on TiNxO2–x/MoS2 Heterojunction for Neuromorphic Computing and Visual System

Wenxiao Wang, Song Gao, Yang Li*, Wenjing Yue, Hao Kan, Chunwei Zhang, Zheng Lou, Lili Wang, Guozhen Shen*

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202101201

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101201