基于二维聚合物薄膜的全光学突触器件：逻辑运算与集成边缘计算的创新突破

这篇研究报道了一种基于大面积二维(2D)聚合物薄膜构建的全光学突触器件，成功模拟了配对脉冲促进/抑制(PPF/PPD)和长时程增强/抑制(LTP/LTD)等关键突触功能。该器件在紫外(UV)和蓝光波段展现出优异的可调塑性，实现了"AND"和"OR"逻辑门操作，并创新性地集成到边缘计算系统中用于氧化铟锡(ITO)玻璃损伤检测，在32个电导状态下卷积运算识别准确率高达98.03%。这项研究为开发先进逻辑运算和集成边缘计算应用提供了新思路。

　　

Highlights
这项研究构建了基于大面积二维(2D)聚合物薄膜的全光学突触器件，该器件能够执行逻辑运算并集成边缘计算功能。在识别受损ITO玻璃时，训练准确率高达98.07%，展现了优异的性能表现。

Summary
受生物启发的光子突触因其可调塑性成为下一代神经形态系统的关键组件。本研究展示了一种由大面积2D聚合物薄膜构建的全光学突触，所有突触行为均在紫外(UV)和蓝光波段实现。该光学突触成功模拟了关键突触功能，包括配对脉冲促进/抑制(PPF/PPD)和长时程增强/抑制。更重要的是，该全光学突触有效执行了"AND"和"OR"逻辑门操作，并成功集成到新型边缘计算系统中用于ITO玻璃异常检测。

Introduction
神经形态计算是一种模拟大脑感知、处理和存储信息能力的新型架构，有望克服冯·诺依曼瓶颈。虽然无机氧化物、钙钛矿和二维材料主导了光学突触研究，但基于2D聚合物的对应物仍待探索。本研究通过界面聚合合成了一种大面积连续的2D共轭聚合物(TAPB-DCA-2DP)薄膜，该聚合物含有偶氮苯基团，在紫外和蓝光照射下可发生trans-cis异构化，赋予材料光响应特性。

Results and discussion

Characterization of the 2D polymer film
通过室温界面聚合成功合成了大面积2D聚合物薄膜。固态¹³C NMR谱和傅里叶变换红外光谱证实了亚胺(C=N)键的形成。热重分析表明TAPB-DCA-2DP在422°C以下保持热稳定性。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析证实了薄膜的均匀性，厚度测量为26.8 nm。

Optical characteristics of the device
ITO/TAPB-DCA-2DP/ITO器件在紫外和蓝光照射下表现出光开关行为，能够在高阻态(HRS)和低阻态(LRS)之间转换。通过交替紫外和蓝光照射，器件展现出可逆的光开关能力。研究人员还实现了32态可逆的光响应突触权重调制，32个不同的电导状态清晰可辨，并在2500秒内表现出卓越的耐久性和稳定性。

Mechanism investigation of the device
研究将经历光诱导异构化的偶氮苯发色团作为2D共轭聚合物TAPB-DCA-2DP的侧链单元。TAPB骨架作为电荷载流子传输通道，而Azo发色团被设计为直接响应光刺激。紫外-可见吸收光谱监测显示，在365 nm紫外光照射下，Azo-DCA在338 nm处的吸收峰强度显著降低，为偶氮苯单元的光诱导构象变化提供了有力证据。

Logic gates and integrated edge computing system application
利用TAPB-DCA-2DP在光调控下发生cis-trans异构化的能力，开发了纯光学逻辑门。成功构建了光学"AND"和"OR"门，并实现了ASCII码字母的解密。设计的新型集成边缘计算系统包含传感单元和数据处理网络，用于检测ITO玻璃异常，能够对各种损伤类型进行稳健分类。

Methods
详细描述了器件制备与表征、基于突触器件的深度学习框架以及相关化合物的合成方法。电学性能在ITO/TAPB-DCA-2DP/ITO结构的器件中进行评估，所有电学测量均在环境条件下进行，无需额外保护。

Resource availability
提供了项目负责人联系方式、材料可用性说明以及数据和代码可用性声明。

Acknowledgments
感谢国家自然科学基金、上海市启明星计划和上海市自然科学基金的资金支持。

Author contributions
B.Z.和F.X.构思并设计项目，J.L.和M.X.进行实验，J.B.、Y.H.和Y.G.进行边缘计算，J.L.、Y.H.和B.Z.撰写手稿，所有作者讨论并评论手稿。

Declaration of interests
作者声明无利益冲突。