高性能有机突触晶体管在多波长感知模拟与神经形态计算中的应用研究

本研究针对传统计算机架构的冯·诺依曼瓶颈和光突触器件材料选择受限的问题，通过构建基于PDVT-10的有机突触晶体管，首次实现了多波长光脉冲刺激下的生物突触可塑性模拟。该器件成功展示了高通滤波、疼痛感知和光电协同逻辑电路功能，并通过引入聚乙烯醇（PVA）光吸收层实现光增强-电抑制特性，最终构建卷积神经网络完成MNIST手写数字识别（准确率99%），为神经形态计算的实用化提供了重要支持。

　　

在信息爆炸的时代，传统计算机架构的冯·诺依曼瓶颈问题日益凸显——内存与处理器分离导致数据搬运效率低下，而人脑的并行处理能力却展现出惊人优势。这一矛盾催生了神经形态计算的研究热潮，其中模拟生物突触功能的器件成为关键突破口。然而，现有光突触器件多依赖复杂掺杂或异质结构，材料选择和制备工艺限制了其多功能应用。更棘手的是，紫外到近红外的多波长响应机制尚不明确，制约了仿生视觉系统的开发。

针对这些挑战，陕西师范大学的研究团队在《Materials Today Electronics》发表了一项创新研究。他们采用溶液旋涂技术，以有机半导体材料PDVT-10为核心，构建了具有宽光谱响应特性的突触晶体管。通过系统调控光脉冲参数，首次实现了从紫外（340 nm）到红光（625 nm）多波长刺激下的突触可塑性模拟，并探索了其在感知、记忆和计算等方面的应用潜力。

研究主要运用了四项关键技术：溶液旋涂法制备PDVT-10薄膜通道层；多波长LED光源（340-625 nm）刺激系统；电学性能测试采用半导体参数分析仪（PDA FS-Pro）；通过Python结合OpenCV实现图像处理算法。特别值得注意的是，团队创新性地引入聚乙烯醇（PVA）光吸收层，利用其能级差促进载流子迁移，为器件赋予光增强-电抑制的双重功能。

多波长突触可塑性模拟
通过调节625 nm红光功率（2.53-9.98 mW/cm²
）和脉冲宽度（1-10 s），器件表现出典型的功率依赖（LPDP）和宽度依赖（LWDP）可塑性。双脉冲易化（PPF）指数随间隔时间（Δt）呈双指数衰减（τ₁
=0.3 s，τ₂
=1.7 s），与生物突触特性高度吻合。值得注意的是，430 nm蓝光因较高能量密度产生最强响应电流（67 nA），而340 nm紫外光虽处吸收边缘仍能引发弱响应。

生物感知功能实现
在紫外敏感实验中，设定ΔI=3 nA为损伤阈值，发现9.98 mW/cm²
UV照射可导致皮肤敏感化（ΔI达阈值1.6倍）。连续刺激使疼痛促进指数随光强递增，而延长间隔时间则呈现抑制趋势。针对视网膜蓝光损伤（430 nm，14.6 mW/cm²
），添加PVA层使EPSC增量从26 nA降至3.7 nA，有效缓解光化学损伤。

光电协同逻辑运算
通过耦合光脉冲与栅压脉冲（±5 V），器件实现"AND"和"NOT"逻辑功能：当蓝光脉冲与正电压同时输入时，EPSC超过50 nA阈值输出逻辑"1"；单独负电压脉冲也可触发类似响应。这种光电协同机制为复杂神经网络运算奠定了基础。

神经形态计算应用
基于PVA层的Si/SiO₂
/PVA/PDVT-10/Au器件展现出对称的长时程增强（LTP）与抑制（LTD）特性（导电比分别为4.9和6.7）。构建的784-100-10卷积神经网络经30次训练后，MNIST识别准确率从94%提升至99%，证实其在模式识别中的优越性。

这项研究的意义在于三方面突破：首次系统阐明PDVT-10器件多波长响应机制，填补了从紫外到近红外突触模拟的空白；创新性开发的光电协同调控策略，为多功能神经形态器件设计提供新思路；PVA层的引入不仅缓解蓝光损伤，更实现了光增强-电抑制的动态平衡。团队负责人Gang He指出，该器件制备工艺与现有半导体技术兼容，有望推动脑机接口和智能感知系统的实用化进程。未来研究可进一步优化材料能级匹配，拓展其在仿生视觉假体等领域的应用深度。