分子量工程化相分离实现基于P3HT/锡-铅钙钛矿异质结的宽频神经形态光晶体管

《Applied Materials Today》：Molecular-weight-engineered phase separation enables broadband neuromorphic phototransistors based on P 3HT/Sn-Pb perovskite heterojunctions

　　

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  分子量依赖的相分离调控异质结界面性质。
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  PS_{13 K}优化能级匹配并抑制界面陷阱。
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  改善结晶性与电荷传输，提升光电晶体管性能。
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  实现从紫外到近红外的宽带类神经功能。
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  储层计算系统实现98.4%的图像识别准确率。

引言

人工智能的快速发展激发了人们对模拟生物神经网络感知、学习和记忆功能的类神经计算系统的浓厚兴趣[1]、[2]、[3]。特别是，在单一硬件平台上集成光感知与突触处理的类神经光电子器件被视为实现节能人工视觉和智能传感系统的一条有前景的技术路线[4]、[5]、[6]、[7]。与传统的冯·诺依曼架构不同，光电子突触器件可以直接将光学刺激转化为突触权重调节，从而实现传感器内计算，显著降低数据传输延迟和功耗[8]、[9]、[10]。对于自动驾驶导航、环境监测和卫星遥感等高级应用，具有覆盖紫外（UV）、可见光（Vis）和近红外（NIR）区域的宽带光谱敏感度的光子突触器件非常令人向往，因为现实世界的光学信息天然是多光谱的[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。

迄今为止，多种材料体系已被探索用于光电子突触器件，包括二维半导体、金属氧化物、有机半导体和卤化物钙钛矿[17]、[18]、[19]、[20]。其中，基于聚合物半导体的突触晶体管因其机械柔韧性、溶液加工性和大面积制备兼容性而具有吸引力[20]、[21]、[22]。然而，大多数已报道的聚合物半导体突触器件表现出有限的光谱响应、相对较低的载流子迁移率或不足的突触可调性，这限制了它们在宽带类神经传感中的应用[23]、[24]、[25]。与此同时，基于钙钛矿的光电子突触器件展现了优异的光响应和丰富的光诱导动力学特性，但界面复合、载流子传输不平衡和器件稳定性等方面的挑战仍然是关键的障碍[26]、[27]、[28]、[29]。窄带隙Sn-Pb合金钙钛矿近来因其吸收延伸至近红外区域、高吸收系数和可调电子结构而成为一类引人注目的光活性材料[14]、[30]、[31]、[32]、[33]。当与聚(3-己基噻吩)（P₃HT）等聚合物半导体结合时，可以构建异质结架构以促进电荷分离并实现基于晶体管的突触操作[34]。然而，P₃HT与Sn-Pb钙钛矿的直接集成往往由于不理想的能级匹配、界面陷阱以及聚合物表面上不利的钙钛矿结晶而导致器件性能下降[35]、[36]。

在聚合物半导体/钙钛矿异质结体系中，界面电子结构和微观结构相容性同时决定电荷分离、载流子传输平衡和缺陷形成[20]、[37]、[38]。然而，将共轭聚合物半导体与窄带隙Sn-Pb钙钛矿直接结合往往导致能级不匹配、界面陷阱态和非理想的钙钛矿成核，这些因素共同降低了器件性能和稳定性[39]、[40]、[41]。为了应对这些挑战，能够在不破坏共轭主链固有电子性质的前提下实现聚合物表面能学和界面形貌的精确连续调节的策略非常令人向往[42]。在此背景下，聚合物共混已成为一种有效且灵活的方法，它通过合理的材料设计允许对薄膜表面能、垂直组成分布和界面微观结构进行可调控制[43]、[44]。特别是，聚合物共混组成的细微变化可以深刻影响界面电荷转移途径和上覆钙钛矿层的结晶行为[45]、[46]。尽管已有这些进展，关于聚合物共混参数如何调节聚合物半导体的电子结构、窄带隙Sn-Pb钙钛矿的结晶动力学以及由此产生的类神经功能的系统性理解仍基本上尚未被探索[47]。智能传感和类神经器件的最新进展已展示了感知、记忆和信息处理的集成，为高效的视觉信息处理提供了新的机遇[48]、[49]、[50]。然而，在单个晶体管中同时实现宽带光传感和类神经计算，并通过有效的界面工程同时控制电荷传输和光响应仍然具有挑战性。

在此，我们报道了一种基于P₃HT/FAPb_0.5Sn_0.5I₃异质结的高性能类神经突触光电晶体管，其中P₃HT层通过掺入不同分子量的PS进行精确调控。我们证明，引入具有最优分子量13 K的PS可以有效地定制P₃HT的能级匹配，促进均匀的钙钛矿结晶，并显著增强界面电荷分离和空穴传输。因此，P₃HT/PS_{13 K}/钙钛矿器件表现出优越的电学特性、从紫外到近红外的宽带光响应，以及丰富的可光学和电学调制的突触行为，包括短期可塑性（STP）和长期可塑性（LTP）以及可逆的记忆和遗忘过程。此外，通过将器件整合到时间延迟储层计算框架中，我们实现了高精度的卫星遥感图像识别，突显了宽带类神经传感的优势。

章节摘要

结果与讨论

图1a展示了本研究所采用的底栅顶接触突触场效应晶体管（FET）架构，以及聚合物层的示意图。P₃HT、P₃HT/PS_{13 K}和P₃HT/PS_{650 K}薄膜通过刮涂工艺沉积在高掺杂Si/SiO₂基底上作为空穴传输沟道，随后通过热蒸发沉积Au源极和漏极电极。沟道长度和宽度分别固定为50 μm和5000 μm。随后，沉积了一层FAPb_0.5Sn_0.5I₃钙钛矿

结论

总之，我们报道了一种基于苯乙烯分子量依赖相分离使能的P₃HT/FAPb_0.5Sn_0.5I₃异质结的宽带类神经突触光电晶体管。低分子量PS_{13 K}优化了界面能级匹配并促进了Sn-Pb钙钛矿的均匀结晶，从而增强了电荷分离和空穴传输。因此，P₃HT/PS_{13 K}/钙钛矿器件表现出改进的场效应迁移率、高效的电荷

作者贡献声明

李湘宇：撰写——原稿、方法论、调查、形式化分析。段万琪：方法论、调查。景任：软件、形式化分析。龚彦彦：撰写——审阅与编辑、数据整理。李景海：撰写——审阅与编辑、监督、调查。龙晓：撰写——审阅与编辑、可视化、软件。William W. Yu：撰写——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（22508203）、教育部纸浆与造纸科学与技术重点实验室基金、齐鲁工业大学（山东省科学院）（KF202203）以及山东省博士后创新计划（SDCX-ZG-202301004）的资助。

李湘宇|段万琪|景任|龚彦彦|李景海|龙晓|William W. Yu