基于光子调制电化学掺杂的有机光电突触

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

受生物启发的电子设备可模拟生命系统的功能。为了开发未来的先进生物电子设备或仿人机器人，人们广泛研究了能像人脑一样思考和记忆的突触或神经形态设备。随着脑机接口和假肢的发展，研究人员尝试将这些智能设备与生命系统连接起来。有机突触器件因其机械顺应性、生物兼容性和对生物介质中分析物的响应性而特别适用于这一目的。光门控有机突触器件(有机光电突触)的开发为传统的电突触器件增加了光感应功能。这种附加功能为模拟人类视网膜的图像预处理和识别功能提供了机会。迄今为止，场效应晶体管(FET)是有机光电突触的主要平台之一。然而，将这类器件用于神经形态计算还存在一些内在障碍。例如，由于通道-介质界面的电荷屏蔽效应，场效应晶体管仍然难以实现线性多级电导状态。即使在高编程电压下，场效应晶体管器件的光电流也往往受到限制，从而导致短期和长期存储器信号之间的模糊性。此外，场效应晶体管器件的功能是通过电子电荷传输实现的，这与生物学中的离子通量调节机制有本质区别。这限制了它们的生物集成潜力。因此，开发一种能在低编程电压下产生相当大的光电流、提供多级电导状态并实现光控离子/电子耦合的器件平台，以构建未来的电子-生物界面，具有很大的吸引力。

研究成果

光电突触可以感知和记忆视觉信息，因此对未来的仿生眼或视觉自动化很有吸引力。有机场效应晶体管具有灵活性和生物兼容性，是光电突触器件的理想平台。然而，在沟道-介质界面上发生的电荷屏蔽效应阻碍了可编程多级存储器的实现。在此，德克萨斯大学圣安东尼奥分校Jianguo Mei教授团队报告了基于电化学晶体管中光子调制电化学掺杂的光子有机突触，光可以操纵离子插入由供体-受体异质结界面组成的光活性层。这样就能在低工作电压(<1 V)下实现高密度多级电导调制，并模仿活体系统中离子通量驱动的突触活动。这些设备可以识别不同的光信号，并模仿人脑的学习过程。通过利用视觉信息的感知、处理和记忆等综合功能，单层突触阵列可充当人工视网膜无需使用复杂的人工神经网络即可实现面部识别。相关研究以“Organic optoelectronic synapse based on photon-modulated electrochemical doping”为题发表在Nature Photonics期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Bioinspired visual system.

Fig. 2 | Photonic non-volatility of the synaptic devices.

Fig. 3 | Mimicking STP and LTP using optoelectronic synaptic device.

Fig. 4 | Photon-modulated electrochemical doping.

Fig. 5 | Image memorization with a prototype-size array and high-density array fabrication.

Fig. 6 | Artificial retina for face recognition.

总结与展望

作者报告了一种通过光子调制电化学掺杂实现的有机光电突触。在这种突触装置中，光可以操纵离子插入由供体-受体异质结界面组成的光活性层。它实现了高密度多级电导调制，并模仿了活体系统固有的离子通量驱动的突触活动。模拟并演示了使用该突触装置作为图像识别构件的人造视网膜。未来的工作目标是开发具有大规模可编程电路的神经形态硬件用于高效图像识别和分类。此外，该设备的生物兼容性还需要在仿生眼或假肢上得到充分验证。

文献链接

Organic optoelectronic synapse based on photon-modulated electrochemical doping

https://doi.org/10.1038/s41566-023-01232-x

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