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Angew. Chem. :短波紅外光特異性響應的有機光電突觸2023-02-02
人類通過體內數十億的神經元及突觸感知周圍的環境、獲取各種各樣的信息,并且實現記憶和存儲的功能。人類視覺系統可獲取80%的外界信息,其關鍵功能之一是可以分辨各種顏色(光波長);然而,當前報道的多數光電突觸器件的光響應范圍與感光材料的吸收范圍一致,很難僅對某一特定波長范圍表現出突觸行為。因此,模擬人類視覺分辨不同波長光信號的功能依舊是一個挑戰。

短波紅外光(SWIR:1000-3000 nm)被廣泛應用在光纖通訊、工業制造等領域,但人類視覺系統卻無法獲取此波段范圍的光信息。開發對SWIR光特異性響應的光電突觸器件可以拓展人工視覺系統的感知范圍,也可以促進光纖通信和類腦計算相結合,實現可抵抗可見光干擾的信息接收、輸運和處理。

近日,中國科學院大學黃輝教授課題組通過設計合成一種窄帶共軛聚合物P1(帶隙0.69 eV),并借助界面能級勢壘和非平衡載流子傳輸捕獲電荷,首次實現了對短波紅外光特異性響應的有機光電突觸器件。

文章將聚合物材料P1作為單一組分制備光電二極管結構的器件,獲得了對可見光到短波紅外光全光譜范圍響應的有機光電突觸器件(SM-PS)。之后構建基于P1和PC71BM的I型異質結,獲得了僅在SWIR光照射下表現出突觸行為的特異性響應有機光電突觸器件(Sel-PS)。

 

 

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文章以1550 nm激光作為刺激信號測試器件的突觸性能,雙脈沖易化指數(PPF)是評價突觸短時可塑性的指標,與人類對短時信息的識別過程相關,Sel-PS器件的PPF值可達1.3。突觸長時可塑性是人類實現學習和決策的基礎,此時突觸器件將達到一個新的電導態,Sel-PS器件的態保留時間超過1500 s,這與人腦的記憶過程一致。Sel-PS器件單次脈沖能耗低至2.85 fJ,與人體中一次神經活動消耗的能量(1-10 fJ)相當,另外,突觸權重可通過改變光照強度、持續時間、頻率、脈沖數目進行調控,和人類視覺系統感知光信號刺激的變化相同。

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文章借助瞬態吸收光譜、熒光光譜和形貌分析證實了SM-PS和Sel-PS器件在光照條件下界面能級勢壘和非平衡載流子傳輸對電荷的捕獲和釋放過程,并且拓展了其他材料體系,證實了文中構建SWIR光特異性響應光電突觸策略的普適性。

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最后,Sel-PS器件陣列成功應用在了抗可見光干擾的字母成像,展現了該工作的應用前景。因此,該工作為實現特異性光響應的有機光電突觸提供了一種新策略,將有效促進相關領域的發展。

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文信息

Retina-Inspired Organic Photonic Synapses for Selective Detection of SWIR Light

Song Wang, Hao Chen, Tianhua Liu, Yanan Wei, Guo Yao, Qijie Lin, Xiao Han, Chunfeng Zhang, Hui Huang

文章的第一作者是中國科學院大學博士研究生王松和陳皓,通訊作者為黃輝教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202213733

 

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