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  將不同波段光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電傳感器件在圖像傳感、光學通訊、環(huán)境監(jiān)測以及生物監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，對人民生活和國防建設(shè)等都至關(guān)重要。近年來，中國科學院大學黃輝課題組在該領(lǐng)域發(fā)展了一系列分子設(shè)計方法及器件制備策略，取得了一系列研究進展。于2016年制備了首個全聚合物光電探測器器件，探測率達到1.2×10¹² Jones（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6306–6315）；基于無規(guī)共聚方法制備的聚合物的光電探測器獲得了高達19.1 A/W的響應度（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 2, 1917–1924）；通過構(gòu)象調(diào)整和側(cè)鏈修飾的分子工程將光電探測器響應度提高了3倍（J. Mater. Chem. C 2019, 7, 5739--5747）通過分子工程，將探測器的光電響應拓展至短波紅外區(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題，如數(shù)據(jù)傳遞過程產(chǎn)生的額外能耗、計算速度受到限制、非結(jié)構(gòu)化實時化信息處理等。神經(jīng)形態(tài)計算以其自適應學習、高并行計算和低功耗等優(yōu)點，被認為是最有希望解決馮諾依曼瓶頸的方法之一。實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計算的重要前提是開發(fā)能模擬生物突觸行為的神經(jīng)突觸器件。電學神經(jīng)突觸器件是首先發(fā)展起來的神經(jīng)突觸器件，但是它們在統(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，利用光作為刺激響應的人工突觸漸漸發(fā)展起來，相比于電學神經(jīng)突觸，光具有高帶寬、低串擾、低能耗和無延遲等特性，還可以直接模擬視覺等至關(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的波長范圍，能更多的對人類無法看見的紅外光、紫外光等進行感知和計算，其在軍事，遠程遙控以及光學通訊等領(lǐng)域都具有廣泛的應用。

  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)動電壓下服役，高的電壓必然帶來熱量的累積，進而影響器件性能，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)動光電突觸器件，并將其應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性質(zhì)的聚合物PBTT，將其旋涂在Si/SiO₂基底和柔性聚對苯二甲酸乙二酯PET基底上，實現(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)動工作，這就意味著我們可以只通過短波紅外光刺激對器件性能進行調(diào)制而無需外加電壓，大大的減少了能量消耗。

圖2. 器件自驅(qū)動機理探究

  為了進一步探索柔性基底自驅(qū)動機理，研究者對薄膜的表面形貌及電荷分布進行了研究。研究結(jié)果表明，首先，聚合物在PET基底上的粗糙度遠高于Si/SiO₂基底，這導致了PET表面更大的局域電場。相較于Si/SiO₂基底薄膜在暗態(tài)下和光照下幾乎沒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下的解離。為了進一步量化這一現(xiàn)象，又通過開爾文力顯微鏡的方式測量不同光照強度下薄膜表面電勢，研究發(fā)現(xiàn)，隨著近紅外光強度從0增強到66.7，100，200 mW cm^-2，平均表面電勢從105增強到244，313，481 mV，這與光強依賴的光響應電流值是一致的。同時，共軛聚合物PBTT的相對介電常數(shù)達到了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需外加電場的情況下就能解離成載流子。作為對比實驗，另一個具有短波紅外光響應的聚合物PBTB在0 V外加偏壓不能工作，必須在有驅(qū)動電壓時才能表現(xiàn)出光電突觸的性能，它的介電常數(shù)僅為3.5，說明了大的介電常數(shù)是有利于產(chǎn)生器件自驅(qū)動性能的。

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)動突觸器件應用于陣列記憶成像以及防偽應用中，取得了很好的效果，體現(xiàn)了器件結(jié)構(gòu)簡單、無電壓能量損耗的優(yōu)勢。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，中國科學院大學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