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  將不同波段光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電傳感器件在圖像傳感、光學(xué)通訊、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及生物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，對(duì)人民生活和國(guó)防建設(shè)等都至關(guān)重要。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)黃輝課題組在該領(lǐng)域發(fā)展了一系列分子設(shè)計(jì)方法及器件制備策略，取得了一系列研究進(jìn)展。于2016年制備了首個(gè)全聚合物光電探測(cè)器器件，探測(cè)率達(dá)到1.2×10¹² Jones（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6306–6315）；基于無(wú)規(guī)共聚方法制備的聚合物的光電探測(cè)器獲得了高達(dá)19.1 A/W的響應(yīng)度（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 2, 1917–1924）；通過(guò)構(gòu)象調(diào)整和側(cè)鏈修飾的分子工程將光電探測(cè)器響應(yīng)度提高了3倍（J. Mater. Chem. C 2019, 7, 5739--5747）通過(guò)分子工程，將探測(cè)器的光電響應(yīng)拓展至短波紅外區(qū)域，制備的柔性器件可用于16×16的陣列成像（Macromolecules 2020, 53, 10636-10643）。

  傳統(tǒng)的馮諾依曼計(jì)算系統(tǒng)由于內(nèi)存模塊和處理器的物理分離將面臨一系列問(wèn)題，如數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程產(chǎn)生的額外能耗、計(jì)算速度受到限制、非結(jié)構(gòu)化實(shí)時(shí)化信息處理等。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算以其自適應(yīng)學(xué)習(xí)、高并行計(jì)算和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望解決馮諾依曼瓶頸的方法之一。實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的重要前提是開(kāi)發(fā)能模擬生物突觸行為的神經(jīng)突觸器件。電學(xué)神經(jīng)突觸器件是首先發(fā)展起來(lái)的神經(jīng)突觸器件，但是它們?cè)诮y(tǒng)籌考慮帶寬、連接、密度等因素下的整體優(yōu)化面臨著很大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，利用光作為刺激響應(yīng)的人工突觸漸漸發(fā)展起來(lái)，相比于電學(xué)神經(jīng)突觸，光具有高帶寬、低串?dāng)_、低能耗和無(wú)延遲等特性，還可以直接模擬視覺(jué)等至關(guān)重要的神經(jīng)行為。在人工智能領(lǐng)域，研究者希望能拓寬光響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍，能更多的對(duì)人類(lèi)無(wú)法看見(jiàn)的紅外光、紫外光等進(jìn)行感知和計(jì)算，其在軍事，遠(yuǎn)程遙控以及光學(xué)通訊等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。

  人體的一次神經(jīng)突觸行為的能耗非常低（幾十到幾百飛焦），然而目前的光電突觸器件大多數(shù)是三端的光電晶體管結(jié)構(gòu)，往往需要在較高的驅(qū)動(dòng)電壓下服役，高的電壓必然帶來(lái)熱量的累積，進(jìn)而影響器件性能，因此大的能量消耗是微電子領(lǐng)域要極力避免的。

圖1. 器件結(jié)構(gòu)及光突觸行為模擬

  近期，黃輝教授課題組基于前期研究基礎(chǔ)，發(fā)展了柔性自驅(qū)動(dòng)光電突觸器件，并將其應(yīng)用于陣列記憶成像及防偽模型。在該工作中，研究者采用一種具有短波紅外響應(yīng)性質(zhì)的聚合物PBTT，將其旋涂在Si/SiO₂基底和柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二酯PET基底上，實(shí)現(xiàn)了一系列光電突觸行為的模擬，包括興奮性突觸電流/后電位（EPSC），短程可塑性（STP）、長(zhǎng)程可塑性（LTP），STP-LTP轉(zhuǎn)化，雙脈沖易化（PPF）等。重要的，基于PET基底的柔性器件能夠?qū)崿F(xiàn)自驅(qū)動(dòng)工作，這就意味著我們可以只通過(guò)短波紅外光刺激對(duì)器件性能進(jìn)行調(diào)制而無(wú)需外加電壓，大大的減少了能量消耗。

圖2. 器件自驅(qū)動(dòng)機(jī)理探究

  為了進(jìn)一步探索柔性基底自驅(qū)動(dòng)機(jī)理，研究者對(duì)薄膜的表面形貌及電荷分布進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，首先，聚合物在PET基底上的粗糙度遠(yuǎn)高于Si/SiO₂基底，這導(dǎo)致了PET表面更大的局域電場(chǎng)。相較于Si/SiO₂基底薄膜在暗態(tài)下和光照下幾乎沒(méi)有變化的表面電荷分布，PET基底在光照下呈現(xiàn)出更明顯的電荷分布差異，意味著PET基底上存在著光致電荷積累現(xiàn)象，而這有利于激子在局域電場(chǎng)下的解離。為了進(jìn)一步量化這一現(xiàn)象，又通過(guò)開(kāi)爾文力顯微鏡的方式測(cè)量不同光照強(qiáng)度下薄膜表面電勢(shì)，研究發(fā)現(xiàn)，隨著近紅外光強(qiáng)度從0增強(qiáng)到66.7，100，200 mW cm^-2，平均表面電勢(shì)從105增強(qiáng)到244，313，481 mV，這與光強(qiáng)依賴(lài)的光響應(yīng)電流值是一致的。同時(shí)，共軛聚合物PBTT的相對(duì)介電常數(shù)達(dá)到了5.8，這一較高的介電常數(shù)值降低了激子結(jié)合能，從而有利于激子在無(wú)需外加電場(chǎng)的情況下就能解離成載流子。作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)具有短波紅外光響應(yīng)的聚合物PBTB在0 V外加偏壓不能工作，必須在有驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)才能表現(xiàn)出光電突觸的性能，它的介電常數(shù)僅為3.5，說(shuō)明了大的介電常數(shù)是有利于產(chǎn)生器件自驅(qū)動(dòng)性能的。

圖3. 器件陣列記憶成像及防偽模型

  最后，研究者將柔性自驅(qū)動(dòng)突觸器件應(yīng)用于陣列記憶成像以及防偽應(yīng)用中，取得了很好的效果，體現(xiàn)了器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電壓能量損耗的優(yōu)勢(shì)。這一成果最近以“Self-powered Flexible Artificial Synapse for Near-infrared Light Detection”為題發(fā)表于Cell Reports Physical Science，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士研究生陳皓為文章的第一作者，黃輝教授為通訊作者。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100507