基于Cu-BHT MOF的多波长光逻辑门与神经形态视觉系统：光电突触器件的突破与应用

本刊推荐：本研究利用二维导电金属有机框架材料Cu-BHT开发出新型光电突触器件，成功模拟生物突触功能（包括EPSC、PPF及STM-LTM转换），在可见光波段（300-600 nm）表现出优异光电特性。通过CNN算法实现96.3%的MNIST识别准确率，并演示多波长光学逻辑运算（AND/OR）与联想学习行为，为神经形态计算与人工视觉系统提供创新解决方案。

　　

亮点

本研究基于二维导电金属有机框架材料Cu-BHT开发的光电突触器件，在可见光波段（300-600 nm）展现出卓越的光吸收能力与高光导特性。该器件采用银电极平面结构（Ag/Cu-BHT/Ag），成功模拟生物突触的核心功能——包括兴奋性突触后电流（EPSC）、双脉冲易化（PPF）以及从短时记忆（STM）向长时记忆（LTM）的动态转换。更令人兴奋的是，借助卷积神经网络（CNN）算法，该器件在MNIST手写数字识别任务中实现了96.3%的高准确率！此外，器件对多波长光的响应能力使其可执行光学逻辑门操作（AND/OR）及实现巴甫洛夫条件反射实验等联想学习范式。这项工作不仅突显了Cu-BHT在神经形态计算与人工视觉系统中的广泛应用潜力，也为未来开发高效能自适应视觉平台指明了方向。

章节片段

材料

乙酸乙酯（99%，C₄H₈O₂）、苯六硫醇（BHT，95%，C₆H₆S₆）购自上海麦克林生化科技有限公司；硝酸铜水合物购自上海泰坦科技股份有限公司；聚乙二醇（PEG，平均分子量Mn = 6000，HO(CH₂CH₂O)_nH）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；尺寸为2×2 cm的铟超白玻璃基板购自先进电子技术有限公司。所有化学品均直接使用，无需进一步纯化。

结果与讨论

图1a展示了Cu-BHT薄膜的合成过程及成膜过程中的光学图像，具体实验细节见实验部分。扫描电子显微镜（SEM）图像（图1b）显示所制备的Cu-BHT薄膜表面致密且光滑。能量色散X射线光谱（EDS）分析表明C、S和Cu元素在薄膜中均匀分布（图1b），证实了Cu-BHT的成功合成。原子力显微镜（AFM）图像（图S1）也进一步证实了薄膜表面的光滑性……

结论

本研究成功将二维导电金属有机框架材料Cu-BHT应用于光电突触器件的制备。Ag/Cu-BHT/Ag平面结构展现出优异的光电特性，包括可见光宽谱吸收（300–600 nm）、高光导性和溶液可加工性，可通过光脉冲有效调控突触可塑性。该器件成功模拟了兴奋性突触后电流（EPSC）、双脉冲易化（PPF）、短时记忆（STM）向长时记忆（LTM）转换等关键突触功能，并通过卷积神经网络（CNN）在MNIST手写数字识别任务中达到96.3%的准确率。多波长光响应能力进一步实现了光学逻辑运算（AND/OR）与联想学习行为模拟。本研究彰显了Cu-BHT在神经形态计算与人工视觉系统中的广泛应用前景，为构建高效能自适应视觉平台提供了新材料与新思路。