柔性光电子突触的进展：机制、材料与神经形态应用

《FlexMat》：Recent advances in flexible optoelectronic synapses: Mechanisms, materials, and neuromorphic applications

　　

传统冯·诺依曼（von Neumann）架构在处理海量非结构化视觉数据时面临显著的存储墙与能耗瓶颈。受生物视觉系统启发，光电子突触（optoelectronic synapses）可在机械柔性器件中天然融合感知、计算与记忆功能，因而成为构建神经形态硬件极具潜力的基本单元。尤其是柔性光电子突触，凭借其低功耗的传感器内视觉智能，能够在弯曲或运动表面直接感知、处理并记忆光学信息，从而赋能软体、可穿戴及生物集成的神经形态视觉系统。本综述从主导光电子突触神经形态行为的基本机制出发，进而总结基于多元材料平台的柔性光电子突触近期进展。尽管成果迅速，光电子突触的稳定性问题仍制约其进一步发展，研究人员对此瓶颈进行了审慎剖析并提出潜在解决路径。更重要的是，研究人员突出了柔性光电子突触在闭环生物混合系统（biohybrid systems）与下一代视觉脑机接口（visual brain-computer interfaces, BCIs）中的变革性潜力。

1 引言

人工智能与物联网推动非结构化尤其是视觉数据快速增长。常规冯·诺依曼计算机将存储与计算分离，实时视觉处理需在两单元间频繁搬移数据，带来延迟与高动态功耗。相比之下，人类视觉系统（视网膜-视神经-视觉皮层）依靠密集互连的突触网络在原位同时传输与存储信息，以仅10–100 fJ的极低能耗完成感知、特征提取与记忆形成。受此生物架构启发，光电子突触被开发用于复现兴奋性突触后电流（excitatory postsynaptic currents, EPSCs）等突触后响应，并模拟短期可塑性（short-term plasticity, STP，如双脉冲易化与短期抑制）及长期可塑性（long-term plasticity, LTP）。通过将光刺激转换为易失或非易失的电导权重变化，光电子突触将光电探测与记忆合并于单一元件；以光子作为调制输入还具备高带宽、低串扰、快传输及波长/强度/频率/偏振等多自由度优势，从而减少下游冗余数据移动，有望突破计算效率极限。人机交互、可穿戴电子与生物医学工程进一步要求器件脱离刚性衬底，具备柔性、可拉伸性及生物相容性。柔性光电子突触由此受到关注，但柔性化不止替换衬底，还需机械鲁棒的光敏层、抗疲劳异质界面、低温工艺与可靠封装。本综述系统梳理其工作机制、材料体系、器件架构与系统级应用，并探讨关键挑战及在生物混合系统与视觉脑机接口中的潜力。

2 光电子突触的神经形态工作机制

生物突触通过神经递质释放改变突触后膜电位并实现时空整合。柔性光电子突触利用光-物质相互作用在半导体中诱导非线性动态响应：光信号作为虚拟“突触前动作电位”，电荷输运或离子位移调制电导态——瞬态变化模拟短时记忆，深能级缺陷、离子迁移或导电细丝实现长时保持。按有源层物理化学可分为四类机制。

2.1 光调制电化学掺杂

基于有机半导体或电解质体系，光脉冲下光生载流子打破有源层与电解质/离子凝胶界面平衡，离子在内建场或偏压下嵌入沟道参与氧化还原或静电补偿，以多态电化学掺杂调谐电导；撤光后离子缓慢脱掺扩散，类比突触间隙递质释放与再摄取，实现低功耗STP向LTP过渡。研究人员报道的F4TCNQ掺杂P3HT有机场效应晶体管（organic field-effect transistor, OFET）利用电荷转移态拓展吸收至近红外，深陷阱延迟释载，实现STP、LTP/LTD及尖峰时间依赖可塑性，单事件能耗仅40 fJ；另基于n型有机混合离子-电子导体在水系电解质中实现紫外到近红外多谱感知，0.4 V下达512级线性电导态，支持图像识别与储备计算。

2.2 光生载流子俘获与脱俘获

常见于二维（2D）材料、量子点（quantum dots, QDs）与金属氧化物，宏观表现为持久光电导（persistent photoconductivity, PPC）。光照产生电子-空穴对，氧空位/硫空位/界面势垒俘获一种载流子，被俘电荷形成持久光栅压调制沟道电导与势垒，产生EPSC。浅陷阱快速释放对应易失STP与双脉冲易化（paired-pulse facilitation, PPF）；深陷阱释能大、保持久，对应准非易失LTP；栅压可进一步调俘获概率与保持时间。研究人员开发的拉伸有机传感运动突触即利用电解质界面陷域载流子维持电导衰减以模拟记忆与遗忘；p-AlGaN/n-GaN纳米线光电化学器件在闭路/开路下分别实现数十秒与超1500 s的STP/LTP演化。

2.3 光诱导离子与空位迁移

主导卤化物钙钛矿与部分过渡金属氧化物。光子直接参与晶格缺陷热力学演化：降低I?/Br?或氧空位（oxygen vacancies, V_O）迁移活化能，光生电荷积累成局域光电压，离子/空位在光热与内场下定向聚集，调制肖特基势垒并原位形成/断裂导电细丝，因离子迟滞而具长时非易失权重。研究人员借助等离激元热点无损光谱追踪SrTiO₃忆阻器中氧空位迁移与纳米气泡失效，证实该机制及可靠性隐患。

2.4 铁电中的光调制极化

见于掺杂铁电氧化物与2D铁电半导体。自发极化与退极化场在光脉冲下被光生载流子屏蔽，或与畴壁作用引发局域反转；畴切换具累积阈值性，可用光频/脉宽连续调微畴，获线性对称权重更新，且光调制可达皮秒/飞秒级。分子铁电通过光异构化无电场可逆切换极化；KNbO₃中太赫兹脉冲激发红外声子模以“压缩”机制实现超快多向极化反转，适用于高速光存储与全光逻辑。

3 基于多样材料的柔性光电子突触

材料电子结构、缺陷化学、离子动力学与力学性质决定性能，分五类平台。

3.1 基于2D材料

原子级厚度与柔性利于晶圆级阵列与多谱识别。TiO_x/Ti₃C₂T_x异质膜高透光耐弯折，陷阱辅助PPC支撑塑形，手写数字识别率超96.44%；ReS₂范德华（van der Waals, vdW）器件借硫空位PPC实现光易化/电抑制，植入卷积网络处理动态人脸；二维锡基钙钛矿PEA₂SnI₄自供能多色突触兼作紫外灼伤预警。

3.2 基于金属氧化物

WO_x、TiO₂等具氧空位可调与CMOS兼容优势。TiO₂-WO_3?x杂化层控细丝形成，获线性对称LTP/LTD及学习-遗忘-再学习；级联硅光伏+海藻酸钠水凝胶电解质的曲面试图像传感器将光转栅压驱动突触晶体管内建预处理，提升识别与容错光通信。

3.3 基于钙钛矿材料

强吸光、带隙可调与离子-电子混合导构。无铅Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿稳存6个月，借细丝随机性做真随机数加密与痛觉模拟；低温退火MAPbI₃单事件13.5 aJ驱动人工神经肌肉疲劳预警；PEA₂SnI₄微线阵列各向异性偏振感知用于轨迹追踪与储池计算；钙钛矿/电解质异质结双模突触实现时空学习与反射弧；混合卤化物相工程抗弯曲千次与333 K热扰。

3.4 基于有机材料

本征柔性与可溶液印刷。源端肖特基势垒调控的全印OFET阵列单脉冲能耗0.07–34 fJ逼近生物水平；亚1 V光调制电化学掺杂供高密度多态人工视网膜；p型混合离子-电子导体仿视网膜广谱适应；抗斯托克斯发光有机半导体实现全光输入-输出多电平防伪与成像。

3.5 基于量子点

尺寸调谐多带感知。Zr-CsPbI₃纳米晶波长重构STP/LTP；无重金属InP量子点紫外-可见多带与痛觉自保护；InP/ZnS核壳光法拉第传荷刺激真实海马神经元；Cu掺杂ZnSe/InP反向Ⅰ型量子点拓展近红外暂态记忆；QD-IGZO-Te与全印QD-SnO₂异质阵支持短长时记忆与边缘提取；无铅Cs₃Bi₂I₉纳米晶弯面仿视网膜多色识别。

4 柔性光电子突触的挑战

实验室指标亮眼，但实用瓶颈在耦合光/电/机/环境的系统不稳定性：弯折、温湿氧与光照共同扰动陷阱、离子与电化学过程，致暗电流漂移、保持衰减与非线性权重。

4.1 系统级不稳定性

权重由载流子、离子、电化学前沿与界面势垒多变量耦合决定。2D转印残胶与皱裂、氧化物脆裂与氧空位重分布、钙钛矿湿氧与晶界滑移、有机光氧化与电解液渗漏、量子点配体不均与咖啡环效应各具失效通道。界面尤为关键：接触势垒、介电/电解质积累、衬底应变传递在反复弯折下分层微裂；阵列级非均匀被百万像素放大，需材料-界面-器件-封装协同。

4.2 稳定化集成策略

4.2.1 新材料开发

缺陷容忍半导体、稳定离子框架与自修复基质结合AI辅助筛选（图神经网络+密度泛函）评220万晶体稳定性与迁移势垒，辅以物理-数据协同网络解界面隐参数。

4.2.2 强界面耦合

自组装单分子层、梯度中间层、离子阻挡层锚定能级与抑制陷获泄漏；膦酸单分子层引入永久偶极钝化界面提提取与长稳。

4.2.3 稳定结构与封装

低应力几何、可拉伸互连与高阻隔封装抵御曲扭湿氧；原位表征与标准化评测建立弯折-光老化联合协议。

4.2.4 算法-硬件协同容错

利用噪声感知训练、权重补偿与误差校正将固有随机性转为鲁棒性，适配边缘视觉。

5 应用前景

柔性光电子突触超越平板视觉，走向曲面仿生视网膜、电子皮肤、软体机器人及植入式视觉假体；在闭环生物混合系统中直接桥接光刺激与神经调控，支撑下一代视觉脑机接口、可穿戴健康监控与具身智能。

综上，该综述以机制为根、材料为干、稳定为关、应用为向，为柔性光电子突触从器件演示走向系统级神经形态视觉提供学术坐标系。