二維層狀異質(zhì)結(jié)是一種類似千層蛋糕那樣一層一層堆疊起來的新型材料，由于光響應(yīng)靈敏、信號(hào)可塑性可調(diào)節(jié)、功耗低等特性，它被認(rèn)為是構(gòu)筑人工神經(jīng)形態(tài)視覺傳感（比如仿生眼）最有前途的材料之一。

近日，南京工業(yè)大學(xué)柔性電子（未來技術(shù)）學(xué)院劉舉慶教授、李銀祥副教授課題組，創(chuàng)造了一種基于氣液界面共自組裝策略構(gòu)筑大尺寸二維碳基異質(zhì)結(jié)的普適性方法，獲得了系列勻質(zhì)厘米級(jí)異質(zhì)結(jié)雙層薄膜。這一工作為構(gòu)筑人工神經(jīng)形態(tài)視覺傳感提供了材料和技術(shù)上的支持，相關(guān)研究論文日前發(fā)表在《自然·通訊》上。

“所謂氣液界面共自組裝策略，形象地理解就是，水面上先后滴加了兩種溶液，這兩種物質(zhì)會(huì)在水和空氣的二維界面各自進(jìn)行自組裝成膜——一個(gè)一個(gè)小分子均勻排列成二維膜，兩種膜同時(shí)又通過彼此間的范德華作用力形成層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該策略具有普適性，所形成的異質(zhì)結(jié)面積較大，可達(dá)厘米大??；異質(zhì)結(jié)具有高均勻性，整個(gè)膜各處的質(zhì)量接近、厚度勻稱。”李銀祥介紹，范德華作用力類似于一種吸引力，讓兩者可以堆疊在一起。

“通俗地說，正是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)的每一層物質(zhì)光吸收范圍的疊加，才使它具有寬范圍的光吸收。異質(zhì)結(jié)中的含氧官能團(tuán)使其具有缺陷態(tài)。缺陷態(tài)會(huì)俘獲光生電子，光照撤去后，電子會(huì)被緩慢釋放出來。因?yàn)槊總€(gè)物質(zhì)的能帶之間不重合、有差值，并且因?yàn)槿毕輵B(tài)對(duì)于電荷的俘獲和釋放過程，讓這個(gè)異質(zhì)結(jié)對(duì)光信號(hào)有了記憶可塑性。” 論文共同第一作者、南京工業(yè)大學(xué)博士董雪梅解釋，記憶可塑性是指給予不同的記憶時(shí)間，記憶程度不一樣，遺忘的時(shí)間也是不同的，“一幅畫看一遍和看十遍的效果是不一樣的，后者記得會(huì)更深，忘得會(huì)更慢”。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于這類異質(zhì)結(jié)的類腦光電突觸器件。董雪梅介紹，相比之下，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的該器件，極大簡(jiǎn)化了器件的復(fù)雜度，它像人類視覺系統(tǒng)一樣，將光信號(hào)的感知、存儲(chǔ)與處理集于一身，這就降低了信息在不同器件之間傳遞導(dǎo)致的時(shí)間延遲和能耗。

課題組相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，該器件能耗僅為10-9瓦，能夠感知從紫外光、可見光到近紅外光這個(gè)寬范圍內(nèi)的光照刺激，同時(shí)在暗環(huán)境中能夠探測(cè)到非常微弱的光信號(hào)。除了具有較強(qiáng)的光感知能力之外，該器件和人類大腦中兩個(gè)神經(jīng)元之間的突觸結(jié)構(gòu)一樣，還能夠同時(shí)對(duì)探測(cè)到的光信號(hào)進(jìn)行記憶和處理。

214%雙脈沖易化指數(shù)說明該器件對(duì)所探測(cè)到的光信號(hào)具有非常高的記憶能力。采用光信號(hào)對(duì)器件的突觸權(quán)重進(jìn)行調(diào)控，基于異質(zhì)結(jié)的類腦光電突觸還可以實(shí)現(xiàn)視覺學(xué)習(xí)和識(shí)別的神經(jīng)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)，以及高效的時(shí)間信息解碼。

董雪梅表示，該器件的制備將對(duì)未來人工智能技術(shù)，包括自動(dòng)駕駛、無人機(jī)視覺導(dǎo)航、工業(yè)檢測(cè)及視頻信息的實(shí)時(shí)解析等應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。課題組的這項(xiàng)工作不僅為碳基光電異質(zhì)結(jié)的高質(zhì)量構(gòu)筑提供了一種有效通用策略，也為碳基神經(jīng)形態(tài)電子的開發(fā)提供了有益借鑒。