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  將不同波段光信號轉換為電信號的光電傳感器件在圖像傳感、光學通訊、環境監測以及生物監測等領域發揮著不可替代的作用，對人民生活和國防建設等都至關重要。近年來，中國科學院大學黃輝課題組在該領域發展了一系列分子設計方法及器件制備策略，取得了一系列研究進展。于2016年制備了首個全聚合物光電探測器器件，探測率達到1.2×10¹² Jones（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6306–6315）；基于無規共聚方法制備的聚合物的光電探測器獲得了高達19.1 A/W的響應度（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 2, 1917–1924）；通過構象調整和側鏈修飾的分子工程將光電探測器響應度提高了3倍（J. Mater. Chem. C 2019, 7, 5739--5747）通過分子工程，將探測器的光電響應拓展至短波紅外區域，制備的柔性器件可用于16×16的陣列成像（Macromolecules 2020, 53, 10636-10643）。

  傳統的馮諾依曼計算系統由于內存模塊和處理器的物理分離將面臨一系列問題，如數據傳遞過程產生的額外能耗、計算速度受到限制、非結構化實時化信息處理等。神經形態計算以其自適應學習、高并行計算和低功耗等優點，被認為是最有希望解決馮諾依曼瓶頸的方法之一。實現神經形態計算的重要前提是開發能模擬生物突觸行為的神經突觸器件。電學神經突觸器件是首先發展起來的神經突觸器件，但是它們在統籌考慮帶寬、連接、密度等因素下的整體優化面臨著很大的挑戰。近年來，利用光作為刺激響應的人工突觸漸漸發展起來，相比于電學神經突觸，光具有高帶寬、低串擾、低能耗和無延遲等特性，還可以直接模擬視覺等至關重要的神經行為。在人工智能領域，研究者希望能拓寬光響應的波長范圍，能更多的對人類無法看見的紅外光、紫外光等進行感知和計算，其在軍事，遠程遙控以及光學通訊等領域都具有廣泛的應用。

  人體的一次神經突觸行為的能耗非常低（幾十到幾百飛焦），然而目前的光電突觸器件大多數是三端的光電晶體管結構，往往需要在較高的驅動電壓下服役，高的電壓必然帶來熱量的累積，進而影響器件性能，因此大的能量消耗是微電子領域要極力避免的。

圖1. 器件結構及光突觸行為模擬

  近期，黃輝教授課題組基于前期研究基礎，發展了柔性自驅動光電突觸器件，并將其應用于陣列記憶成像及防偽模型。在該工作中，研究者采用一種具有短波紅外響應性質的聚合物PBTT，將其旋涂在Si/SiO₂基底和柔性聚對苯二甲酸乙二酯PET基底上，實現了一系列光電突觸行為的模擬，包括興奮性突觸電流/后電位（EPSC），短程可塑性（STP）、長程可塑性（LTP），STP-LTP轉化，雙脈沖易化（PPF）等。重要的，基于PET基底的柔性器件能夠實現自驅動工作，這就意味著我們可以只通過短波紅外光刺激對器件性能進行調制而無需外加電壓，大大的減少了能量消耗。

圖2. 器件自驅動機理探究

  為了進一步探索柔性基底自驅動機理，研究者對薄膜的表面形貌及電荷分布進行了研究。研究結果表明，首先，聚合物在PET基底上的粗糙度遠高于Si/SiO₂基底，這導致了PET表面更大的局域電場。相較于Si/SiO₂基底薄膜在暗態下和光照下幾乎沒有變化的表面電荷分布，PET基底在光照下呈現出更明顯的電荷分布差異，意味著PET基底上存在著光致電荷積累現象，而這有利于激子在局域電場下的解離。為了進一步量化這一現象，又通過開爾文力顯微鏡的方式測量不同光照強度下薄膜表面電勢，研究發現，隨著近紅外光強度從0增強到66.7，100，200 mW cm^-2，平均表面電勢從105增強到244，313，481 mV，這與光強依賴的光響應電流值是一致的。同時，共軛聚合物PBTT的相對介電常數達到了5.8，這一較高的介電常數值降低了激子結合能，從而有利于激子在無需外加電場的情況下就能解離成載流子。作為對比實驗，另一個具有短波紅外光響應的聚合物PBTB在0 V外加偏壓不能工作，必須在有驅動電壓時才能表現出光電突觸的性能，它的介電常數僅為3.5，說明了大的介電常數是有利于產生器件自驅動性能的。

圖3. 器件陣列記憶成像及防偽模型

  最后，研究者將柔性自驅動突觸器件應用于陣列記憶成像以及防偽應用中，取得了很好的效果，體現了器件結構簡單、無電壓能量損耗的優勢。這一成果最近以“Self-powered Flexible Artificial Synapse for Near-infrared Light Detection”為題發表于Cell Reports Physical Science，中國科學院大學博士研究生陳皓為文章的第一作者，黃輝教授為通訊作者。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100507