用于自适应类脑视觉的纳米多孔垂直有机突触晶体管的栅极可编程光谱可塑性

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Gate-Programmable Spectral Plasticity in Nanoporous Vertical Organic Synaptic Transistors for Adaptive Neuromorphic Vision

　　

摘要

能够动态适应变化光谱环境的人工视觉系统对下一代智能感知至关重要，但仍受限于传统光电探测器固定的光谱响应。虽然窄带光电探测器能有效抑制光学背景干扰，但其光谱选择性通常由材料组成或器件几何结构预先决定，无法在单一硬件平台上实现自适应光谱感知。本文报道了一种基于高度稀释的P3HT:PC??BM（100:1）混合物的纳米多孔垂直有机突触晶体管，该器件实现了栅极可编程的光谱可塑性，能够在波长选择性窄带探测与宽带全色感知之间实现可逆电学切换。与传统的平面型光电晶体管不同，该垂直配置的传输架构在空间上将光吸收与静电沟道调制解耦，从而克服了收集电荷所需的厚光电活性层（1.5微米）与实现高效栅控所需的超薄半导体沟道之间长期存在的矛盾。通过电学重塑界面能量景观和载流子收集长度，栅极调制动态调节不同穿透深度处光生载流子的提取，在不改变材料组成或器件结构的情况下产生自适应光谱响应。定量上，该器件实现了具有竞争力的响应度R为41.7 A/W，散粒噪声限制的探测率D*为2.7×1013 Jones，以及外量子效率EQE为8.3×103%。除了光谱可重构性外，厚的活性层自然引入了由陷阱介导的载流子弛豫引起的持续光电导性，使得能够产生类似于生物学的兴奋性突触后电流，并具有双脉冲易化（达到290%的指数）、峰数依赖、峰持续时间依赖和峰强度依赖的可塑性，以及从短期可塑性到长期可塑性的可编程转换。这些多维突触动力学直接在传感器层面提供内在的时间信息处理，消除了对独立传感和存储单元的需要。此外，通过硬件-算法协同设计策略，将实验获得的突触电导特性集成到卷积神经网络中，以模拟自适应视网膜信号预处理。系统级仿真表明，可电编程的光谱加权通过动态匹配光谱感知与不同视觉任务，显著提高了宽带图像识别和单色颜色识别性能。这项工作建立了一种通用策略，在统一的垂直有机晶体管架构中集成了自适应光谱传感、电可编程光电晶体管和神经形态信息处理，为智能光电系统提供了多功能材料平台。