文章简介

    基于光驱动的人工突触(光子突触)的神经形态计算系统由于具有高带宽、超快信号传输、低能耗和无线通信等优点，被认为有望解决冯·诺伊曼瓶颈，成为现代计算体系的中流砥柱。有机场效应晶体管(OFETs)具有制备简单、易于集成和结构多样等突出的优点。OFETs过去作为研究材料结构及其物理性质的强大平台，如今也为人工光子突触的研究提供了非常重要的基础，它不仅能够满足简单的模拟突触的需求，甚至可以实现更为复杂的双调制、模拟视觉系统等功能。基于此，天津大学-新加坡国立大学福州联合学院胡文平教授、陈伟教授，天津大学的耿德超教授及其博士研究生张晴等人对基于OFETs器件的人工光子突触领域进行综述，分别从功能材料、器件结构、创新应用三个角度阐述了该领域当前的研究现状，并对这个领域的机遇和挑战提出了展望。

1. 研究背景

       基于冯·诺依曼结构的逻辑计算无法满足物联网、边缘计算等需求，其存储器与处理器相分离的架构不仅增加了处理信息的时间，也造成了巨大的能耗。相比之下，人脑神经系统具有大规模并行、高效高速、可以处理非结构问题等优点，因此人们越来越关注神经形态计算的研究。在生物神经系统中，突触在其前后神经元之间起着信号传递的重要作用。因此，利用电子器件模拟突触的功能是实现神经形态计算的基础。

      相比于电驱动的人工突触，光子突触展现出了带宽高、抗干扰能力强、信号传输速度快、能耗低等优点。另外，光子突触能够实现非接触的写入策略，有助于无线通信的发展。在众多候选材料当中，有机材料具有本征柔性、低成本、延展性、性能改性、生物相容性、可溶液加工和低能耗等特点，是制备大面积柔性集成光子突触的理想材料之一。而场效应晶体管的三端结构相比于二极管可以同时实现学习和传输的功能。因此，基于有机场效应晶体管(OFETs)的人工光子突触有望为神经形态计算的发展开辟新的道路。

图1. 生物神经系统与人工光子突触工作机制的对比。(左)生物神经系统：信号借助神经递质从突触前端传递到突触后端。(右)基于OFETs的人工光子突触：光刺激作为输入信号，而源漏电流作为输出信号。

       人工光子突触的具体工作机制、加工方法等主要取决于材料和器件构型。因此，该综述对基于OFETs器件的人工光子突触材料的分子设计及人工光子突触的器件结构进行了总结。此外，本文还对基于OFETs器件的人工光子突触的创新应用进行了综述，站在一定高度上总结概括了这一领域的前沿研究进展，提出了一些前瞻性的研究方向，期望对该领域的研究者们有所帮助。

2. 功能材料

       光子突触的激发波长对于器件的使用范围至关重要，因此我们根据材料的激发波长，对用于光子突触的功能材料进行了总结，如图2所示。在这些分子中，有些分子被直接用作通道材料，它们同时具有电荷的分离和传输功能(例如C8-BTBT分子)。其中一些被用于形成异质结，唯有二者结合才能实现激子的产生和分离(例如Cu-Pc分子和p-6P分子)。而另一些则在光子突触系统当中用作光电探测器，将光信号转化为电信号(例如VOPc分子)。

图2. 目前应用在OFETs基光子突触中的有机材料总结。

3. 器件构型

       基于OFETs器件的人工光子突触的器件构型很大程度上依赖于OFETs的器件构型，但是又与OFETs有所不同的是，光子突触要求实现非易失性存储，进而实现对突触功能的模拟。基于OFETs器件的光子突触的非易失性大部分取决于有机半导体与绝缘体界面处适当的捕获度，因此引入电荷捕获介质层是提供适当捕获度的手段之一。此外，采用顶栅结构或引入浮栅等也可以实现对突触功能的模拟。图3给出了三种常用的基于OFETs器件的人工光子突触的器件构型。

图3. 目前报道的基于OFETs的人工光子突触的器件构型，分别为(a)浮栅结构；(b)引入电荷捕获层和(c)顶栅器件结构。

4. 创新应用

       目前，关于光子突触创新应用的报道越来越多，开发更多的创新性应用以适应工业化需求也是这个领域的重中之重。该文就目前已经报道的工作，总结了以下几个类别的创新性应用：人工视觉系统、图案识别、光控多巴胺感应、光驱动机器人、光驱动的仿神经肌肉系统和智能窗户等。

图4. 该综述从功能材料、器件结构、创新应用三个方面对基于OFETs器件的人工光子突触领域进行了总结。

       天津大学-新加坡国立大学福州联合学院融合两校教学科研优势，致力于建设成为一所集产学研用相结合的世界一流中外合作办学学院，面向未来培养顶尖人才，同时聚焦柔性电子与新兴光电子、先进化学制造、能源材料和催化等领域开展战略性、创新性科学研究，服务国家战略需求和地方经济发展。该综述近期发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.202106151)，该论文的第一作者为天津大学-新加坡国立大学福州联合学院的博士研究生张晴、金腾宇，本文是在天津大学的胡文平教授、耿德超教授，新加坡国立大学的陈伟教授指导下完成。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106151

来源: 高分子科学前沿 https://mp.weixin.qq.com/s/2yFe2vsKPKizBp6sURs4bg