本文档发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊，于2023年11月20日正式在线发布。论文标题为《Bidirectional Invisible Photoresponse Implemented in a Traps Matrix-Combination toward Fully Optical Artificial Synapses》。通讯作者为深圳大学的孙振华（Zhenhua Sun）。主要作者包括温峥（Zheng Wen）、王书翰（Shuhan Wang）、易方舟（Fangzhou Yi）、郑鼎霆（Dingting Zheng）和严承圆（Chengyuan Yan），所有作者均来自深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室、教育部/广东省光电器件与系统重点实验室以及物理与光电工程学院。
学术背景 该研究属于神经形态计算和先进光电材料器件交叉领域。在当前信息时代，基于冯·诺依曼架构的传统计算系统在数据处理性能和能效方面面临瓶颈。神经形态计算作为一种仿生计算范式，因其模拟人脑高效、低功耗的信息处理方式而备受关注。人脑的计算功能依赖于突触，因此，开发能够模拟突触功能的器件是构建人工神经形态系统的关键。
目前，主流的电刺激人工突触面临着功耗、热管理和带宽限制等挑战。相比之下，光刺激因其具有低功耗、高速度和可直接与视觉感知集成等潜在优势，成为一种有前景的替代方案。特别是能够同时被光刺激增强和抑制的“全光学人工突触”，被认为是理想的硬件单元。实现全光学人工突触的一个核心要求是器件需具备波长依赖的双向光电响应，即不同波长的光能够引起器件电导率相反方向的变化（正/负光电响应），从而分别模拟突触的增强（potentiation）和抑制（depression）。
然而，目前仅有少数材料（如黑磷）能在单一材料中实现这一特性，但其在空气中的稳定性较差。更常见且有效的策略是结合不同特性的光敏材料。其中，氧化物半导体和胶体量子点因其优异的光电性能和丰富的陷阱态，被认为是理想的组合，但此前这种组合尚未在基于三端晶体管的全光学人工突触中得到应用。本研究的目的是填补这一空白，通过将宽带隙的二氧化钛（TiO₂）多晶和窄带隙的硫化铅（PbS）量子点集成到石墨烯晶体管中，构建一种新型的全光学人工突触器件，并系统验证其仿生神经功能。
详细研究流程 本研究包含器件制备、表征、性能测试和机制分析等多个系统化的步骤。
第一步：器件设计与制备 研究首先设计了名为“PbS-G-TiO₂”的器件结构。该器件本质上是一个底栅顶接触的石墨烯场效应晶体管（GFET），其特殊之处在于在石墨烯沟道的上下两侧分别集成了两种光敏材料。具体制备流程如下： 1. 基底与TiO₂层制备：使用重掺杂硅作为衬底和栅极，其上生长300 nm厚的SiO₂作为栅介质层。采用溶胶-凝胶法在SiO₂上旋涂TiO₂前驱体溶液，随后在500°C下退火30分钟，形成多晶TiO₂薄膜。 2. 石墨烯转移：通过经典的湿法转移工艺，将化学气相沉积（CVD）生长的单层石墨烯转移到TiO₂薄膜之上。 3. 电极制备：通过热蒸发和掩膜板工艺，在石墨烯上沉积50 nm厚的金（Au）源极和漏极，定义出长200微米、宽2毫米的沟道。 4. PbS量子点层沉积：在氮气手套箱中，采用逐层旋涂和固态配体交换工艺，将合成的PbS胶体量子点溶液沉积在石墨烯上。配体从油酸交换为3-巯基丙酸（MPA）。共沉积三层，总厚度约为80纳米。 作为对照，研究还制备了纯石墨烯晶体管、仅有TiO₂层的G-TiO₂器件以及仅有PbS量子点层的PbS-G器件。
第二步：材料与器件结构表征 研究采用多种技术对材料和器件结构进行了详尽的表征，以确认其成功制备和基本性质： * 形貌表征：扫描电子显微镜（SEM）的截面图像显示了清晰的器件层状结构，其中TiO₂层约20 nm，PbS量子点层约80 nm。石墨烯因超薄而不可见。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和高分辨透射电镜（HR-TEM）图像表明PbS量子点尺寸均匀，直径约3-4 nm。 * 结构表征：X射线衍射（XRD）图谱证实了TiO₂薄膜为金红石晶型。拉曼光谱证明了石墨烯的单层性和良好结晶度。 * 光学性质表征：吸收光谱显示，PbS量子点溶液的第一激子吸收峰位于约920 nm，计算其带隙约为1.1 eV。对复合薄膜的归一化吸收光谱分析表明，360 nm的近紫外（NUV）光吸收主要来自TiO₂，而905 nm的近红外（NIR）光吸收主要来自PbS量子点。
第三步：光电性能与突触行为测试 这是研究的核心部分，涉及对PbS-G-TiO₂器件电学与光电性能的系统测量，并以此模拟各种神经突触行为。 * 测试平台：所有电学测量在氮气环境中进行，使用半导体参数分析仪（Keithley 4200-SCS）。使用波长为360 nm（近紫外）和905 nm（近红外）的可调功率连续激光作为光源，通过光纤和准直器照射整个器件芯片。 * 双向光电响应验证：首先测量了器件在不同光照下的转移特性曲线（Ids-Vg）。结果表明，在360 nm光照下，随着光强增加，曲线整体向左移动（相当于阈值电压负向漂移，器件电流Ids在固定栅压下增大），表现为正光电响应。相反，在905 nm光照下，曲线整体向右移动（阈值电压正向漂移，Ids减小），表现为负光电响应。这一双向响应特性是模拟兴奋性和抑制性突触的基础。通过交替施加360 nm和905 nm光脉冲，器件的转移曲线和实时光电流（Iph）可以可逆地在两个状态之间切换，并且这种循环在100次后仍保持稳定，展示了良好的耐久性。 * 机制探究与对照实验：为了阐明双向响应的物理机制，研究测试了对照器件。G-TiO₂器件（只有TiO₂）对360 nm和905 nm光均产生正响应；而PbS-G器件（只有PbS量子点）对两种光均产生负响应。结合已知的TiO₂是空穴陷阱基质、PbS量子点是电子陷阱基质的特性，研究将PbS-G-TiO₂器件的双向响应归因于两种材料中光生载流子陷阱效应（光栅效应）的协同作用。在360 nm光照下，TiO₂主导的光生空穴被陷阱捕获，对石墨烯沟道施加等效正栅压，导致正响应；在905 nm光照下，PbS量子点主导的光生电子被陷阱捕获，施加等效负栅压，导致负响应。 * 突触塑性模拟：研究将360 nm光脉冲定义为兴奋性突触前刺激，将905 nm光脉冲定义为抑制性突触前刺激，将器件在零栅压下的沟道电流（Ids）定义为突触后电流（PSC），成功模拟了多种关键神经功能： 1. 增强/抑制循环：施加一系列360 nm光脉冲可实现突触增强（EPSC增大），随后施加一系列905 nm光脉冲可实现突触抑制（电流恢复至基线），构成了完整的学习-遗忘循环。 2. 脉冲频率依赖可塑性（SRDP）：使用固定参数的360 nm光脉冲，高频（0.5 Hz）刺激导致EPSC累积增强，而低频（0.05 Hz）刺激则导致EPSC减弱，模拟了生物突触中依赖于脉冲频率的强度调节。 3. 双脉冲易化（PPF）：施加两个间隔时间（Δt）很短的360 nm光脉冲，第二个脉冲引起的EPSC幅度（A2）大于第一个（A1）。PPF指数（A2/A1）随Δt增加呈双指数衰减，这与生物突触行为一致。 4. 短时程记忆（STM）与长时程记忆（LTM）的转换：通过改变光刺激的强度、持续时间或脉冲数量，可以调控器件光电流的衰减时间。弱刺激或短时刺激产生快速衰减的响应（模拟STM），而强刺激、长时刺激或多脉冲刺激则产生持久甚至几乎不衰减的响应（模拟LTM），实现了从STM到LTM的“记忆固化”过程。 5. 学习-经验行为：先施加一系列光脉冲使器件“学习”（产生EPSC），停止刺激让其“遗忘”（电流衰减）。再次施加较少次数的脉冲即可快速恢复到之前的“记忆”水平，且后续遗忘速度变慢，模拟了人脑通过复习巩固记忆的过程。 * 抑制性突触塑性模拟：研究同样系统地展示了使用905 nm光脉冲作为抑制性刺激时，器件也能实现上述所有突触塑性行为，包括抑制性的SRDP、PPF、STM-LTM转换和学习-经验行为，证明了器件功能的双向对称性和灵活性。
主要结果 本研究获得了一系列系统且相互印证的结果： 1. 成功制备了异质集成的PbS-G-TiO₂光晶体管：材料表征（TEM， XRD， 吸收光谱）和结构表征（SEM）证实了TiO₂多晶薄膜、单层石墨烯和PbS量子点薄膜的高质量制备与集成。 2. 实现了波长依赖的双向光电响应：电学测试数据（转移特性曲线、实时光电流循环曲线）清晰地展示了器件在360 nm光下产生正光电响应，在905 nm光下产生负光电响应。对照器件的实验排除了石墨烯自身光响应的主要贡献，并将双向响应归因于TiO₂和PbS量子点层的光栅效应。 3. 揭示了双向响应的物理机制：基于能量带结构图和分析，提出了详细的载流子产生、转移、陷阱和复合的物理图像，合理解释了在连续不同波长光照下器件电流变化的动态过程。 4. 全面模拟了多种神经突触功能：实验数据图（包括EPSC/IPSC随时间/脉冲数的演化曲线、PPF指数-Δt曲线、不同刺激参数下的记忆衰减曲线等）系统证明了该器件能够作为全光学人工突触，模拟兴奋性和抑制性的突触增强/抑制、SRDP、PPF、STM-LTM转换以及学习-经验行为。器件的性能在多个样品中具有可重复性。 5. 进行了性能对比：论文中的表格1将本工作与近年来报道的其他全光学人工突触器件进行了比较，突出了本器件在实现PPF、STM-LTM转换和学习-经验行为等多项功能方面的全面性和竞争力。
结论与研究意义 本研究的结论是：通过将作为空穴陷阱基质的近紫外光敏TiO₂多晶和作为电子陷阱基质的近红外光敏PbS量子点，以适当的方式集成到石墨烯晶体管中，成功研制出一种具有波长依赖双向光电响应的光晶体管。这一特性使其能够作为全光学人工突触。利用360 nm或905 nm光作为刺激，该器件成功模拟了包括增强/抑制、PPF、SRDP在内的突触可塑性，以及人脑的STM-LTM转换和学习-经验等记忆行为。
该研究的科学价值在于： * 提出并验证了一种有效的器件设计策略：即通过组合具有相反电荷陷阱极性的光敏材料矩阵，来实现双向光电响应，这为未来设计新型全光学神经形态器件提供了清晰的思路和方法论启示。 * 拓展了材料组合的应用范围：首次将氧化物/量子点半导体组合应用于三端晶体管架构的全光学人工突触，并系统展示了其强大的神经形态功能，填补了该材料体系在这一应用领域的空白。 * 推动了全光学神经形态硬件的发展：所展示的低功耗（光刺激）、高速度（光响应）、多波长调控和丰富的神经功能模拟能力，为构建未来高性能、高能效的视觉感知神经形态计算系统提供了潜在的硬件基础。
研究亮点 1. 创新的器件结构：采用“光敏材料-石墨烯-光敏材料”的对称夹心结构，巧妙利用TiO₂和PbS量子点分别作为空穴和电子陷阱基质的特性，在单一器件中实现了高效、稳定、波长选择性的双向光响应。 2. 全面的功能演示：不仅实现了基本的突触增强和抑制，还成功模拟了SRDP、PPF、STM-LTM转换、学习-经验行为等高级神经功能，且兴奋性和抑制性通路均得到验证，功能完整度较高。 3. 清晰的物理机制：通过系统的对照实验和基于光栅效应的理论分析，对器件的工作机制给出了清晰、合理的解释，增强了工作的科学性和可信度。 4. 良好的可重复性与稳定性：器件在多次循环操作中表现出稳定的性能，并且在多个制备的器件中成功复现了核心的突触塑性特征，显示了该策略的可靠性。
其他有价值的内容 论文提供了详细的实验方法（材料合成、器件制备工艺、表征和测试条件），具有很好的可重复性。支持信息（Supporting Information）中补充了石墨烯的拉曼光谱、对照器件的光电响应数据、器件耐久性与可重复性测试数据等，为正文结论提供了坚实的佐证。此外，研究在氮气环境中进行测试，有助于保持PbS量子点的稳定性，为实际应用中可能的封装要求提供了参考。