新策略构筑大尺寸异质结 助力人造视觉感知

新策略构筑大尺寸异质结 助力人造视觉感知

  二维层状异质结是一种类似千层蛋糕那样一层一层堆叠起来的新型材料，由于光响应灵敏、信号可塑性可调节、功耗低等特性，它被认为是构筑人工神经形态视觉传感（比如仿生眼）最有前途的材料之一。

  近日，南京工业大学柔性电子（未来技术）学院刘举庆教授、李银祥副教授课题组，创造了一种基于气液界面共自组装策略构筑大尺寸二维碳基异质结的普适性方法，获得了系列匀质厘米级异质结双层薄膜。这一工作为构筑人工神经形态视觉传感提供了材料和技术上的支持，相关研究论文日前发表在《自然·通讯》上。

  “所谓气液界面共自组装策略，形象地理解就是，水面上先后滴加了两种溶液，这两种物质会在水和空气的二维界面各自进行自组装成膜——一个一个小分子均匀排列成二维膜，两种膜同时又通过彼此间的范德华作用力形成层状异质结构。该策略具有普适性，所形成的异质结面积较大，可达厘米大小；异质结具有高均匀性，整个膜各处的质量接近、厚度匀称。”李银祥介绍，范德华作用力类似于一种吸引力，让两者可以堆叠在一起。

  “通俗地说，正是因为异质结的每一层物质光吸收范围的叠加，才使它具有宽范围的光吸收。异质结中的含氧官能团使其具有缺陷态。缺陷态会俘获光生电子，光照撤去后，电子会被缓慢释放出来。因为每个物质的能带之间不重合、有差值，并且因为缺陷态对于电荷的俘获和释放过程，让这个异质结对光信号有了记忆可塑性。” 论文共同第一作者、南京工业大学博士董雪梅解释，记忆可塑性是指给予不同的记忆时间，记忆程度不一样，遗忘的时间也是不同的，“一幅画看一遍和看十遍的效果是不一样的，后者记得会更深，忘得会更慢”。

  该团队设计了基于这类异质结的类脑光电突触器件。董雪梅介绍，相比之下，团队设计的该器件，极大简化了器件的复杂度，它像人类视觉系统一样，将光信号的感知、存储与处理集于一身，这就降低了信息在不同器件之间传递导致的时间延迟和能耗。

  课题组相关负责人介绍，该器件能耗仅为10-9瓦，能够感知从紫外光、可见光到近红外光这个宽范围内的光照刺激，同时在暗环境中能够探测到非常微弱的光信号。除了具有较强的光感知能力之外，该器件和人类大脑中两个神经元之间的突触结构一样，还能够同时对探测到的光信号进行记忆和处理。

  214%双脉冲易化指数说明该器件对所探测到的光信号具有非常高的记忆能力。采用光信号对器件的突触权重进行调控，基于异质结的类脑光电突触还可以实现视觉学习和识别的神经形态网络，以及高效的时间信息解码。

  董雪梅表示，该器件的制备将对未来人工智能技术，包括自动驾驶、无人机视觉导航、工业检测及视频信息的实时解析等应用具有重要的现实意义。课题组的这项工作不仅为碳基光电异质结的高质量构筑提供了一种有效通用策略，也为碳基神经形态电子的开发提供了有益借鉴。（记者 金 凤 通讯员 周 伟）