【引言】
在大数据时代人工智能技术飞速发展的背景下，基于传统“冯-诺依曼架构”的计算机难以满足人们对高效、高速计算的迫切需求。研制具有生物突触和神经元功能的固态器件对于研制超低功耗“类脑芯片”和实现全新一代人工智能系统意义十分重大。迄今为止，人们已经制备了各种类脑仿生突触器件，如两端忆阻器和三/多端晶体管等。但是，这些器件大部分是基于电学读取信号。与之相比，以光学信号作为突触器件的物理表达，因其高带宽、信号传输速度快且抗干扰能力强而备受关注。
最近，中南大学孙佳教授提出了一种新型光学可读的有机电化学突触晶体管（OR-OESTs）。该器件通过栅极电压驱动离子胶电解质中的[TFSI]–离子掺杂改变了光和P3HT薄膜之间的相互作用强度，实现了栅极电压来控制沟道中光的透过率，并以光透过率作为突触权重模拟了基本的生物突触功能。此外，所提出的OR-OESTs阵列能够对光学图像进行预处理，例如对比度增强和去噪。所报道的柔性有机电致变色突触器件为下一代光子神经形态系统提供了全新的视角。
【成果简介】
近期，中南大学孙佳/阳军亮教授团队报道了一种以光学信号作为仿生突触物理表达的柔性有机电化学突触晶体管阵列，并用于神经形态光学图像处理。作者展示了以丝网印刷的离子凝胶为栅介质，在柔性聚对苯二甲酸乙二酯（PET）基底上制备了具有平面侧栅结构的OR-OESTs阵列，在OR-OESTs阵列中实现了对光学图像去噪以及对比度增强等功能。相关工作以“Optically readable organic electrochemical synaptic transistors for neuromorphic photonic image processing”为题在期刊《Nano Letters》上发表。
图1 (a) 生物突触的示意图。(b) 器件结构示意图。(c) P3HT薄膜在不同Vgs下的透射光谱。插图：器件电致变色的光学实物图。(d) P3HT薄膜不同光波长下的透射光谱随Vgs的变化情况。(e) 和(f) 器件的漂白和着色。
图2 (a) P3HT薄膜在初始状态以及掺杂下的拉曼光谱。(b) 器件在±3 V电位范围内的循环伏安图。(c) 器件在不同掺杂水平下的能级示意图。(d) 器件在不同Vgs下的调制机制示意图。
图3 (a) 电脉冲触发的光学EPSP响应。(b) 电脉冲触发的光学IPSP响应。(c) 不同幅值的电脉冲触发的光学EPSP响应。(d) 不同幅值的电脉冲触发的光学IPSP响应。(e) 由一对电脉冲触发的光学EPSP和 (f) IPSP响应 (g) 在漂白/着色状态之间的连续切换周期中，电调透射率的百分比变化。
图4 (a) 附在人类眼球模型上的柔性OR-OESTs阵列的照片。(b) 用OR-OESTs阵列实现的对比度增强。(c) 初始状态下和施加脉冲后的输出结果。(d) 用于光学图像去噪的OR-OESTs阵列和用于光学图像识别的人工神经网络。(e)不同噪声系数下的MNIST图像经由OR-OESTs阵列预处理前后的图像。(f) 不同的Vgs下有/无OR-OESTs阵列预处理的MNIST图像识别率比较。
【小结】
总之，该团队提出了一种新颖的基于电致变色的光学可读有机人工突触器件。栅极电压驱动离子胶电解质中的[TFSI]–离子迁移改变了光和P3HT薄膜之间的相互作用强度，实现了栅极电压来控制P3HT沟道中光的透过率，进而模拟生物突触的行为。此外，利用OR-OESTs阵列来实现光学图像预处理，所提出的器件将为未来有机光学神经形态系统和人工智能提供一种新的途径。
中南大学物理与电子学院博士研究生徐运超和硕士研究生石一鸣为本文共同第一作者，孙佳、阳军亮教授为本文共同通讯作者。感谢国家自然科学基金项目(No.61975241和 No.52173192)、湖南省湖湘青年英才计划项目(No.2020RC3010)、湖南省科技创新计划项目(No. 2021RC2077)、国家重点研发计划项目(2022YFB3803300)对本项目的资助。
孙佳，教授，博士生导师，湖南省湖湘青年英才，入选全球前2%顶尖科学家榜单。主要从事半导体光电器件与物理、突触电子器件等方面的研究工作。以第一/通讯作者在国际权威期刊Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Sci. Bull., Appl. Phys. Lett.等上发表论文多篇，近五年论文SCI引用次数4000余次。申请/授权国家发明专利7项，主持国家、省部级以及横向课题10余项。
阳军亮，二级教授，博士生导师，国家四青人才，中南大学物理与电子学院副院长，主要研究领域柔性印刷电子及薄膜太阳电池。在 Chem. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Appl. Phys. Lett. 等国际期刊发表论文240余篇（第一作者或通讯作者130余篇），SCI 引用8000余次，H-index为50；申请国家专利30项（授权22项），专利技术转让10项；主持国家重点专项课题、国家自然科学基金项目、军委科技委项目、湖南省科技攻关项目以及公司合作项目等20余项；主持湖南省一流课程建设项目、湖南省教改项目、湖南省柔性印刷电子创业创新中心建设项目等教学教改类项目7项，发表教改论文6篇。
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01291
来源：课题组供稿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
热门跟贴