负光电导与忆阻态协同:钙钛矿光电突触的创新突破

2025-01-14 09:31 中测光科
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    在当今科技飞速发展的时代,神经形态计算系统的研究正逐渐成为科技领域的热点。受人脑视觉感知系统的启发,集成了光学感知、存储和信号处理功能的光电人工突触器件,被视为神经形态计算系统发展的关键。而忆阻器,以其精准可控的阻变存储特性,被认为是模拟生物突触功能的有效手段。如今,一项创新性的研究为我们带来了新的希望,郑州大学史志锋教授团队联合北京理工大学李营副教授,提出了一种基于新型钙钛矿Cs2CoCl4单晶的双端光电突触器件,其兼具负光电导响应和阻变存储特性,为发展新型人工光电突触提供了全新的思路。


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    一、研究背景:神经形态计算的探索

    神经元和突触作为类脑计算的基础,是人类大脑进行信息处理和记忆的两个基本单元,共同构成了神经形态计算网络。类突触器件作为神经形态计算系统的重要组成部分,利用光电双调制模式,结合光子学与电子学各自的优势,在新一代神经形态计算领域中逐渐崭露头角。然而,当前大多数光电突触器件主要利用光学材料的正光电导响应特性,由于饱和光电流的限制以及弱光探测能力的不足,其在一些特殊的使用场景中受到了阻碍。负光电导效应通常表现为材料电导率在光照下的显著减小,这种变化往往比正光电导效应更为明显。基于负光电导效应的光电器件通常具有较高的灵敏度,能够更准确地探测到微弱的光信号变化,利用负光电导效应可以实现高对比度的图像传感,提高成像质量和准确率,有利于增强人工视觉系统对图像的处理能力和识别功能。因此,开发具有负光电导效应的人工光电突触器件,对未来构建先进的视觉神经形态计算系统具有重要的意义。


    二、研究亮点:钙钛矿光电突触的创新

    郑州大学史志锋教授团队开发出的新型钙钛矿Cs2CoCl4单晶材料,同时具有负光电导响应和阻变存储特性,这一发现为光电突触器件的研究带来了重大突破。通过设计多层垂直结构(ITO/Cs2CoCl4/Cu)的光电器件,在光学和电学工作模式下都获得了优异的器件性能。该器件在宽波段(265−780nm)光照下表现出特殊的负光电导响应,并且具有优异的光探测能力,其响应度和比探测率分别达到了−18.3mAW-1和2.7×10^12Jones。理论计算和实验分析证明,Cs2CoCl4本征的铯空位缺陷(VCs)自发捕获光生载流子,产生带负电的激子与带正电的氯空位(VCl)形成与外加电场方向相反的内建电场,导致负光电导响应。同时,该器件还表现出易失性阻变特性,在较小电场强度下(5×10^4Vm-1)实现了高达10^4的开关比,并表现出高循环稳定性。电学测试表明,该忆阻器的阻变机理归因于金属阳离子和卤素空位迁移形成的导电细丝。

    更令人振奋的是,研究人员通过集成阻变存储性质的电脉冲增强和负光电导性质的光脉冲抑制特性,成功实现了电写入和光擦除的人工光电突触,并模拟了生物突触的多种功能,包括长时程增强(LTP)、长时程抑制(LTD)和双脉冲易化(PPF)等。基于人工神经网络算法的仿真,所设计的光电突触器件成功实现了手写体数字图像的高精度识别应用,这一成果不仅展示了钙钛矿光电突触器件在图像识别领域的巨大潜力,也为未来神经形态计算系统的发展提供了新的方向。


    三、实验与理论分析:深入探究协同机制

    为了深入理解钙钛矿光电突触器件的性能和机制,研究人员进行了详细的实验和理论分析。通过水热法成功制备出高质量大尺寸(1.3cm×1.1cm)钙钛矿Cs2CoCl4单晶,为器件的制备提供了高质量的材料基础。基于Cs2CoCl4单晶,设计并制备出结构为ITO/Cs2CoCl4/Cu的垂直结构光电器件,这一结构设计充分发挥了材料的光电特性,实现了优异的器件性能。

    在负光电导响应机制方面,理论计算和实验分析证明,Cs2CoCl4本征的铯空位缺陷(VCs)自发捕获光生载流子,产生带负电的激子与带正电的氯空位(VCl)形成与外加电场方向相反的内建电场,从而导致负光电导响应。这一发现不仅揭示了材料的光电特性,也为负光电导效应在光电突触器件中的应用提供了理论支持。

    在阻变存储机理方面,电学测试表明,该忆阻器的阻变机理归因于金属阳离子和卤素空位迁移形成的导电细丝。这一机理的揭示,有助于我们更好地理解器件的存储特性,为优化器件性能提供了重要的参考。


    史志锋教授团队提出的负光电导效应和忆阻态协同的钙钛矿人工光电突触模型,通过详细的实验和理论分析,证实了负光电导效应、阻变机理以及协同工作的机制。成功使用该突触单元构建的具有图像识别功能的人工视网膜,不仅展示了其在神经形态计算领域的应用潜力,也为光电子学和人工智能技术的发展提供了新的思路。未来,随着研究的不断深入和技术的不断进步,钙钛矿光电突触器件有望在更广泛的领域得到应用,为智能科技的发展开启新的篇章。


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