利用WSe2光电晶体管模拟巴甫洛夫条件反射

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Mimicking Pavlovian Conditioning with WSe2 Phototransistors

　　

神经形态工程旨在通过模拟哺乳动物大脑的生物效率，规避传统冯·诺依曼（Von Neumann）架构的能耗与延迟限制。二维材料凭借卓越的光—物质相互作用，成为下一代光电子人工突触的首选候选。研究人员在此工作中展示了一种基于机械剥离二硒化钨（WSe2）场效应晶体管的稳健光电子突触器件。与复杂的异质结构不同，所提出的器件利用本征缺陷介导的电荷俘获机制实现神经形态功能。研究人员报道了通道电导的可逆调制，其中光学刺激通过持久光电导（Persistent Photoconductivity, PPC）诱导增强（Potentiation），而电学栅极脉冲触发抑制（Depression）。一项关键发现是能够仅通过调整漏极偏压极性，利用肖特基（Schottky）接触的不对称性，在短期可塑性（Short-Term Plasticity, STP）与长期可塑性（Long-Term Plasticity, LTP）之间进行选择性切换。为验证该器件在仿生计算中的潜力，研究人员成功在硬件层面模拟了巴甫洛夫联想学习（Pavlovian associative learning）。这些结果确立了剥离WSe2作为光刺激神经形态计算中简洁且多功能的平台。

研究背景与意义

神经形态（Neuromorphic）概念由Carver Mead于1990年提出，其核心前提是通过模拟哺乳动物大脑的效率来简化复杂的数字问题。传统的人工神经网络（Artificial Neural Networks, ANNs）依赖中央或图形处理单元进行密集的数字计算，而神经形态工程旨在构建模拟电路以克服冯·诺依曼架构的局限，其中复制神经元间的连接即突触是关键基础。尽管硅电路已被开发用于模拟神经元尖峰和突触连接，但在标准芯片上实现真正的类脑智能仍具挑战，因此研究转向二维（2D）材料。二维材料具有原子级薄、无悬挂键表面及强光的物质相互作用特性，其多样的带隙允许从紫外到红外的宽光谱吸收，适用于多波长调制及感算一体器件。二硒化钨（WSe₂）作为VI族过渡金属硫族化合物（TMDs），具备双极性电荷传输、层依赖能带结构、强自旋轨道耦合、高载流子迁移率及显著光物质相互作用等优势，且具备机械柔性、环境稳定性与可扩展制备兼容性，是理想候选材料。既往研究表明，WSe₂基器件的神经形态功能主要由本征缺陷态相关的电荷俘获与去俘获过程主导，这些陷阱态源于原生结构缺陷如硒空位和晶界，无需额外材料工程。现有进展多依赖复杂的范德华异质结构和浮栅架构，而本研究发表于《ACS Applied Materials》，旨在证明无需复杂材料工程，利用结构简单的解理WSe₂场效应晶体管及本征缺陷与几何不对称肖特基接触，亦可实现稳健的神经形态功能与联想学习，为高能效类脑系统提供新视角。

关键技术方法

研究人员采用机械剥离法将WSe₂薄片转移至85 nm SiO₂/Si基底，通过标准光刻与剥离工艺制作不对称的Ni/Au（20 nm/200 nm）电极接触，接触面积分别约为138 μm²与5 μm²，并利用拉曼光谱验证多层WSe₂质量。电学表征在真空（10^–4 mbar）室温下使用Keithley 4200半导体表征系统进行双探针测量，背栅电压通过样品台施加，光响应分析采用超连续激光源（420至2400 nm，最大光功率16.5 mW）进行白光激发。通过变温输出特性（300至380 K）结合Richardson plot分析与Werner-Güttler分析提取肖特基势垒高度，验证接触不对称性源于几何差异而非势垒不均匀。时间分辨光电流、转移特性曲线及门电压脉冲擦除实验用于表征持久光电导（PPC）及突触权重更新。脉冲光刺激用于评估成对脉冲易化（Paired-Pulse Facilitation, PPF）及尖峰速率依赖可塑性（Spike-Rate Dependent Plasticity, SRDP）。巴甫洛夫条件反射实验将栅压脉冲映射为非条件刺激（食物），光脉冲映射为条件刺激（铃声），设定150 nA电流阈值为唾液分泌。人工神经网络仿真使用NeuroSim V3.0框架，构建三层全连接多层感知机（400输入、100隐藏、10输出神经元），基于MNIST手写数字库（20×20像素输入，随机8000训练子集，10000测试集，125轮随机梯度下降）进行识别准确率评估，器件参数提取自单器件的增强与抑制特性。

研究结果

3.1. Persistence of the Photocurrent

研究人员测量了暗态与光照下的输出与转移特性，发现器件因不对称背靠背肖特基势垒（Contact A约0.48 ± 0.02 eV，Contact B约0.53 ± 0.03 eV）呈现显著电流不对称性，且Werner-Güttler分析证实势垒波动可忽略，不对称性根植于接触面积几何差异。光照下光生载流子使IV曲线对称化，关光后正V_ds下出现持久光电导（PPC），负V_ds下无PPC，且正栅极脉冲（V_gs = 5 V，20 s）可抑制PPC恢复暗态。时间分辨测量显示光照160 s后PPC稳定维持超6小时，末3小时电流呈高斯分布（均值45.53 nA，标准差0.97 nA）。转移特性表明暗态呈p型掺杂（狄拉克点正移），光照引起向负栅压的刚性偏移（正电荷存储）。光功率依赖分析得指数α ≈ 0.6，表明亚线性光响应与陷阱限制过程。栅压调制显示V_gs = 0 V时PPC最强，正栅压快速淬灭PPC，负栅压略微降低。能带模型指出本征受主型缺陷态致p型掺杂，光照电离陷阱态留下局域正电荷产生虚拟正栅极效应（Photogating），引起能带向下弯曲转为n型输运；关光后载流子复合受电场扫掠电子抑制，维持亚稳态，正栅压增加电子密度促进陷阱再占据从而擦除PPC。

3.2. Light-Stimulated Neuromorphic Behavior

在V_ds = 1 V下，10个短光脉冲刺激随间隔（t_off 50至800 ms）变化，成对脉冲易化（PPF）指数在最短间隔达167%，随间隔增大渐近至100%，双指数衰减拟合特征时间τ₁ ≈ 1 ms与τ₂ ≈ 100 ms，符合生物突触时间尺度。150个脉冲刺激显示尖峰速率依赖可塑性（SRDP），间隔越小电导累积越大，约50脉冲后饱和。V_ds = ?1 V时因PPC被抑制，电流快速弛豫，PPF仅136%，记忆保留弱。该极性依赖行为源于肖特基接触几何不对称：正偏压下小面积Contact B注入电子密度低，复合概率小，维持虚拟栅极效应（LTP模式）；负偏压下大面积Contact A注入高密度电子，促进陷阱复合淬灭光门效应（STP模式）。由此可通过漏极极性切换STP与LTP，优于依赖异质结的复杂结构。

3.3. Pavlovian Conditioning and Simulation of an Artificial Neural Network

研究人员映射栅压（?5 V脉冲，食物/非条件刺激）与光（80%功率脉冲，铃声/中性刺激）至器件，阈值150 nA代表唾液。初始光 alone 低于阈值无反应；栅压 alone 超阈值有反应但后续光仍无反应，无关联形成；同时施加三次光与栅压后，光 alone 超阈值，建立关联，随时间遗忘但高于初态（长期可塑性），单次再训练恢复。ANN仿真中，门驱动与光驱动配置最终准确率分别约72%与60%（光因高低电导态比低），理想器件作参照。证实提取的器件参数可用于系统级神经形态能力验证。

讨论与结论总结

研究人员在结论中指出，稳健的神经形态功能无需复杂材料工程或多层异质结构。通过结构简单的剥离WSe₂场效应晶体管，实现了模拟成对脉冲易化与联想学习等基本生物特征的通用光电子突触。研究转变了缺陷免费器件的常规需求视角，转而利用本征WSe₂缺陷及WSe₂/氧化物界面态作为PPC的主要陷阱中心，并利用转移特性滞后实现栅压驱动写入擦除。关键地将肖特基接触几何不对称（通常视为2D器件性能限制）转化为功能控制机制，仅调漏极偏压极性即可切换STP与LTP，无需浮栅或外存。通过巴甫洛夫条件实验与神经网络仿真验证，结果凸显WSe₂作为高能效、结构简洁类脑系统平台的潜力。