基于DPP-DTT纳米线光电晶体管的仿生突触器件在肌电与心电信号分类中的应用研究

这篇研究报道了一种基于纳米线图案化二酮吡咯并吡咯-二噻吩并[3,2-b]噻吩（DPP-DTT）的神经形态光电晶体管，通过软光刻压印法制备的纳米线（宽度460 nm，间距8–11 μm，高度≈80 nm）展现出光调控突触行为。在蓝光（455 nm，0.55 mW cm?2）照射下，DPP-DTT/SiO2界面产生光门控效应，阈值电压偏移达6.4 V，负栅压脉冲（?7 V）则通过电子去陷阱化实现抑制性突触可塑性。该器件通过调节光/电刺激参数（强度、频率、周期）实现短时程（STP）到长时程（LTP）可塑性转换，并在人工智能分类任务中取得优异表现：MNIST手写数字识别准确率97.4%，肌电图（EMG）93.4%，心电图（ECG）89.0%，CIFAR-10物体识别83.8%。

　　

Abstract

研究团队开发了一种基于二酮吡咯并吡咯-二噻吩并[3,2-b]噻吩（DPP-DTT）纳米线阵列的光电晶体管，其独特的毛细桥自组装结构（宽度463 nm，高度83 nm，间距6.4–13.6 μm）通过软光刻技术实现。该器件在蓝光（455 nm）照射下表现出显著的光门控效应：界面电子陷阱导致阈值电压正向偏移6.39 V，而?7 V栅压脉冲则通过电子-空穴复合实现去陷阱化，分别模拟了生物突触的增强（potentiation）和抑制（depression）行为。

1 Introduction

光调控突触器件因其低功耗、并行光寻址优势成为神经形态计算的研究热点。DPP-DTT作为给体-受体共轭聚合物，其刚性平面骨架和强π-π堆叠特性特别适合构建纳米线结构。相比传统紫外响应材料（如PCBM/PAN复合物），该研究首次采用纯DPP-DTT纳米线实现可见光响应的突触行为，避免了异质结结构的性能退化问题。

2 Results and Discussion

形貌与光电特性

原子力显微镜（AFM）显示纳米线阵列均方根粗糙度（R_q）为20.6 nm，能谱（EDS）证实线间无残留聚合物。紫外-可见吸收光谱显示1.7 eV光学带隙，HOMO/LUMO能级分别为?5.2/?3.5 eV。接触角测试和X射线光电子能谱（XPS）证实1,2-二氯苯（DCB）处理使SiO₂表面OH^?基团比例从71.3%降至39.6%，从而增强蓝光响应。

突触行为调控

在0.55 mW cm^?2蓝光脉冲下：

• 增强：光生电子在SiO₂界面陷阱使漏电流提升33.7倍（V_g=7 V时）

• 抑制：?7 V栅压脉冲引发0.3 s内电流衰减11.5%

  通过调节刺激参数可实现STP-LTP转换：

• 频率依赖性：0.47 Hz低频刺激使突触权重（SW）提升306%

• 周期依赖性：40次刺激后兴奋性突触后电流（EPSC）增幅达1076%

生理信号分类应用

采用多层感知机（MLP）和卷积神经网络（CNN）架构：

• ECG分类（5类）：CNN模型准确率89%（MIT-BIH数据库，STFT预处理）

• EMG分类（7类）：特征热图（MAV、RMS等10参数）准确率93.4%

• CIFAR-10物体识别：83.8%准确率验证器件在复杂场景的适用性

该研究为有机神经形态器件在医疗监测和边缘计算中的应用提供了新思路。