自供电和湿度可调的光电突触

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

传统的冯-诺依曼计算机由于内存和中央处理器的物理分离，在物联网 (loT)时代面临严峻挑战。在物理层面上实现神经形态计算依赖于模拟神经网络中生物突触功能的突触设备。到目前为止，各种人工突触器件已经取得了重大进展，如场效应晶体管、相变存储器、铁电晶体管等。尽管突触行为已被广泛模拟，但大多数神经形态设备依赖电刺激来控制电导，限制了神经的运行速度和能量水平。此外，人类的感知刺激几乎全部来自外部(视觉、触觉、嗅觉、听觉或痛觉)，仅靠电刺激无法模拟。

与电刺激的人工突触相比，光电突触具有高带宽、低功耗和低串扰的特点，被认为是神经形态视觉系统的理想候选器件。光电突触阵列实现了图像传感和记忆功能，简化了神经形态视觉系统的电路。尽管不同类型的光电突触已被报道，传统的突触行为也被成功模拟，但仅靠光输入同时实现突触的电位增强和抑制仍然是一个巨大的挑战。除了电刺激和光刺激外，其他刺激如应变、磁性等也被用于实现人工突触器件性能的多维调制，这对于开发多功能神经形态光电子学非常重要。

研究成果

光电突触具有高带宽、低功耗、光信号刺激串扰小等优点，正受到越来越多的关注。华东师范大学彭晖&段纯刚教授团队设计了一种基于Cs2AgBiBr6 /P(VDF-TrFE)/pentacene 异质结构的自供电双端光电突触，它对不同波长(a=445 nm/660 nm)的光刺激具有双向响应。这一特性使得该器件能够在全光学通路中模拟兴奋性和抑制性突触行为。除了光学刺激外，湿度也被用作额外的刺激，以调节装置在445nm 光照下的突触性能。该装置成功应用于通过湿度调节来刺激不同情绪状态下的天气树预报行为和视觉学习与遗忘过程。相关研究以“Self-Powered and Humidity-Modulable Optoelectronic Synapse”为题发表在Advanced Materials Technologies期刊上。

图文导读

Figure 1. a) Schematic of a device structure with pentacene/P(VDF-TrFE)/Cs2AgBiBr6 hybrid (the inset shows the molecular structure of pentacene and crystal structure of Cs2AgBiBr6). b) The cross-sectional SEM image of pentacene/P(VDF-TrFE)/Cs2AgBiBr6 hybrid structure. c) UV-vis absorption spectra of Cs2AgBiBr6, P(VDF-TrFE), pentacene and pentacene/P(VDF-TrFE)/Cs2AgBiBr6. d) PSC is triggered by an optical pulse with a pulse width of 0.5 s. The wavelengths are 445 (blue line) and 660 nm (red line), respectively. e) Dependence of the PSC on the optical pulse width. f) Schematic energy-band diagram of the device under the 445 or 660 nm optical stimulation.

Figure 2. Wavelength-selective synaptic plasticity in the pentacene/P(VDF-TrFE)/Cs2AgBiBr6-based synaptic device.

Figure 3. Humidity-modulated synaptic plasticity of the pentacene/P(VDF-TrFE)/Cs2AgBiBr6-based device.

Figure 4. I–V curves of pentacene/P(VDF-TrFE)/Cs2AgBiBr6 based device at a) 20% RH and b) 60% RH. c-d) Schematic diagrams of the proposed working mechanism of humidity-modulated behaviors.

Figure 5. Simulation of visual learning and forgetting processes under different emotional states.

Figure 6. Implementation of weather prediction phenomenon by the optical synapse.

总结与展望

综上所述，作者成功制备了基于pentacene/P(VDF-TrFE)/Cs2AgBiBr6 异质结构的自供电光电突触。在异质结构界面的波长控制下，不同光生载流子实现了双向突触调制行为。利用波长为445 nm和660 nm的光脉冲模拟了 LTP、LTD、PPF/PPD 等突触功能。湿度被用作外部刺激来调节装置的突触性能。通过结合445nm 光脉冲和湿度变化成功地实现了LTP 和LTD行为。最后利用该装置模拟了天气预报树，并模拟了不同情绪状态下的视觉学习和遗忘过程。这项工作为设计具有多级调制突触可塑性的光电突触提供了新思路。

文献链接

Self-Powered and Humidity-Modulable Optoelectronic Synapse

https://doi.org/10.1002/admt.202201779

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