Small:用于双模学习视觉系统的二维钙钛矿/有机异质结的柔性突触光晶体管

传统冯诺依曼计算机的内部处理器和内存在空间上相互分离,需要大量的时间来传输数据,导致信息的实时处理效率非常低。人类视觉系统通过视网膜接收携带环境信息的光信号,并通过视觉神经突触记住图像,神经元同时作为处理器和存储单元,具有高并行性、低功耗和容错能力。为了满足我们对数据和信息日益增长的需求,已经开发了各种突触器件,例如忆阻器、电阻开关存储器和场效应突触晶体管。 与两端结构的突触相比,晶体管突触在学习和记忆时可以通过第三个终端(栅电极)调整外部信息,类似于生物突触的学习行为。目前研究人员已经使用突触光电晶体管(SPTs)成功地模拟了可见光,但是具有近红外 (NIR) 波长选择性的光子突触尚未报道,主要因为单一材料(仅空穴或仅电子)的SPT 无法区分从可见光到 NIR 光的颜色。另外,制备低成本和大面积的柔性突触器件仍然是个挑战。

近日,中国科学院化学研究所郭云龙研究员、刘云圻院士采用全溶液法制备了柔性的二维(2D)钙钛矿/有机异质结 (PEA2SnI4/Y6)双极性突触晶体管,它可以在双电压模式下工作并识别可见光和近红外光。将 Y6 与 PEA2SnI4结合可以获得从可见光到近红外光的吸收光谱。由于 PEA2SnI4具有空穴传输特性,Y6 具有电子传输特性,复合的PEA2SnI4/Y6薄膜 SPT 表现出平衡的双极性传输行为。双极传输特性使 SPT 可以在两种电压模式下工作,对可见光和 NIR 光表现出较好的光响应,并且可以模拟可见光和近红外光。

图1. (a) PEA2SnI4 钙钛矿和 Y6 的结构。 (b) PEA2SnI4/Y6 SPT 的器件结构。 (c) PEA2SnI4/Y6薄膜的 AFM 图像。 (d) PEA2SnI4、Y6 和 PEA2SnI4/Y6 薄膜PL 光谱(λex = 550 nm)。 (e) PEA2SnI4、Y6 和 PEA2SnI4/Y6薄膜的吸收光谱。 (f) 光晶体管在黑暗下的转移特性。

采用四种颜色的光来照射突触晶体管研究其突触响应。 SPT在可见光尖峰照射下电流逐渐降低,表明产生了抑制性突触后电流(IPSC),并且在红、绿、蓝光的照射下电流降低的幅值依次增加。 SPT在 NIR 光下电流逐渐增加,表明产生了兴奋性突触后电流(EPSC)。SPT 的工作机制为: PEA2SnI4 和 Y6 薄膜在可见光下产生电子空穴对,电子被PEA2SnI4 薄膜中的 Sn 空位捕获,空穴与沟道中的电子复合,导致 IDS 降低。当 SPT 被 NIR 光照射时,Y6 产生电子-空穴对,空穴被 PEA2SnI4/Y6 的界面捕获,导致沟道中的电子增加,因此IDS 增加。使用相同功率强度的四束光照射SPT,SPT产生对红、绿、蓝光产生不同幅值的IPSC,对NIR光产生EPSC,从而可以区分光的颜色。此外,成功制备了柔性SPT阵列,首次实现了对由红/绿/蓝/近红外光编码的“G”、“o”、“o”和“d”的颜色区分。研究表明,所制备的SPTs 在开发大面积、高效率和低成本的柔性人工智能视觉方面具有巨大的潜力。黄新博士为论文的第一作者,郭云龙研究员和刘云圻院士为该文章的通讯作者。

图2. (a) 由10个可见光光尖峰触发的 IPSC (VGS = 40 V, VDS = 40 V)。 (b) 由 10个近红外光尖峰触发的 EPSC。 (c) 可见光刺激下 SPTs 的工作机理。 (d) 近红外光刺激下 SPTs 的工作机理。 (e) 四束光束依次刺激 SPT 突触晶体管。 (f) 由红/绿/蓝色和 NIR 光依次触发的 ΔPSC。(g) 12×5 晶体管阵列,分别由红、绿、蓝和 NIR 光刺激, 显示出“G”、“o”、“o”和“d”中的图像,每个像素中的数字是测量的 ΔPSC 值。

论文信息:

Dual-Mode learning of Synaptic Phototransistor based on 2D-Perovskite/Organic Heterojunction for Flexible Color Recognizable Visual System

Xin Huang, Qingyuan Li, Wei Shi, Kai Liu, Yunpeng Zhang, Yanwei Liu, Xiaofang Wei, Zhiyuan Zhao, Yunlong Guo*, Yunqi Liu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102820

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102820