基于ZnO光电突触晶体管的人工光学伤害感受器：仿生自修复机制与神经形态计算应用

本研究针对传统冯·诺依曼架构的高能耗与效率瓶颈问题，开发了一种基于ZnO掺杂海藻酸钠(SA)的光电突触晶体管。该器件通过溶液法制备，具有双极性行为、优异栅极调控及负光电导特性，可模拟生物突触可塑性(如EPSC、STDP等)，并成功构建了仿皮肤UV响应的人工光学伤害感受器。当UV强度超过阈值时，器件能激活自修复防御机制，为神经形态计算和人工智能感知系统提供了新思路。

　　

在人工智能技术飞速发展的今天，传统计算机架构正面临严峻挑战。冯·诺依曼体系固有的存储与计算分离特性，导致数据处理效率低下、能耗居高不下。与此同时，人类大脑却以惊人的能效比完成复杂任务——这得益于其高度并行的神经网络结构和突触可塑性机制。如何模仿生物神经系统，开发新一代计算器件，成为突破技术瓶颈的关键。

针对这一重大需求，中国研究人员在《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》发表了一项创新研究。团队选择氧化锌(ZnO)这一具有优异光电性能的II-VI族半导体材料，结合天然多糖海藻酸钠(SA)的绝缘特性，通过溶液法制备出新型光电突触晶体管。该器件巧妙利用ZnO的4s-2p能带结构和SA的β-D-甘露糖醛酸/α-L-古洛糖醛酸链段，实现了对光/电刺激的双模响应。

研究采用SEM表征薄膜形貌，通过调控栅压(V_G)和UV脉冲参数(波长、强度、脉宽)系统评估器件性能。特别设计了仿生实验模拟皮肤伤害感受过程，并测试器件的自修复阈值。电学测试涵盖开关比(1.46×10⁶)、负光电导等关键指标，突触功能测试则包括双脉冲易化(PPF)、长时程增强(STDP)等生物突触特征。

结果与讨论
器件采用顶栅底接触结构，SEM显示ZnO/SA活性层与ITO栅极形成清晰界面。电学测试揭示其双极性输运特性，栅压可精确调控沟道电导，实现类似神经元的兴奋/抑制平衡。在405nm UV刺激下，器件表现出典型的负光电导效应——这与生物伤害感受器的"刺激-规避"行为高度吻合。通过模拟突触权重更新过程，成功演示了从短时程可塑性(STP)到长时程可塑性(LTP)的转变，其PPF指数达128%，接近生物突触水平。

仿生应用验证
当UV强度超过5mW/cm²时，器件触发自修复机制，这与皮肤晒伤后的细胞修复过程相似。通过调节脉冲参数，器件可区分无害光刺激与伤害性UV辐射，实现类似痛觉的分级预警。在神经形态计算应用中，该器件阵列成功完成模式识别任务，其能效比传统CMOS电路提升两个数量级。

结论
这项研究开创性地将ZnO光电特性与生物突触机制相结合，开发出具有自修复功能的人工光学伤害感受器。其突破性体现在三方面：(1)首次在单一器件中集成伤害感知、信号传导和自主防御功能；(2)通过溶液法制备，兼容大规模集成电路工艺；(3)为突破冯·诺依曼瓶颈提供了新材料体系。该成果不仅推动了神经形态器件的发展，更为开发具有环境自适应能力的下一代人工智能系统奠定了理论基础。