近日，中國科學技術大學微電子學院孫海定教授iGaN Lab課題組與武漢大學劉勝院士團隊合作，在仿生光電神經(jīng)感知器件的前沿研究中取得重要進展。研究團隊成功開發(fā)以第三代半導體氮化鎵(GaN)為核心材料的光電神經(jīng)突觸器件，實現(xiàn)具有化學調控的神經(jīng)形態(tài)功能。該器件首次提出利用光電化學器件架構，結合傳統(tǒng)半導體構筑新型半導體/電解質異質界面，并逼真模擬了生物體中的復雜視覺行為。該成果以“Optoelectronic synapses with chemical-electric behaviors in gallium nitride semiconductors for biorealistic neuromorphic functionality”為題，近期發(fā)表在國際學術期刊《自然·通訊》上。 
隨著人工智能和大數(shù)據(jù)時代的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)量和信息處理需求急劇增長，而光電感知技術作為現(xiàn)代信息傳輸和處理的核心手段，顯得愈發(fā)關鍵。受生物視覺啟發(fā)的光電神經(jīng)突觸器件，有望將光電感知、信息存儲和信息處理功能集成到同一系統(tǒng)中，為多功能和集成化感知系統(tǒng)的開發(fā)提供全新途徑。然而，現(xiàn)有的光電神經(jīng)突觸器件主要依賴于傳統(tǒng)光電物理過程，無法有效模擬生物視覺系統(tǒng)中復雜的化學-光電全過程，較大程度限制了其功能性和應用場景。
近年來，光電化學器件因其將物理和化學過程相結合的獨特工作優(yōu)勢，逐漸成為研究熱點。該類器件不僅涵蓋了經(jīng)典半導體物理中的光生載流子的產(chǎn)生、提取和輸運行為，還包括在半導體/電解質溶液界面上的電化學反應過程，為實現(xiàn)更復雜的光電功能提供了新的器件架構。在前期研究中，團隊利用分子束外延技術所制備的高質量的GaN納米線，在p-n異質結納米線中首次實現(xiàn)光電流極性翻轉現(xiàn)象(Nat. Electron. 4, 645–652 (2021))，并將其應用于光電邏輯門和水下加密光通信系統(tǒng)中(Adv. Mater. 35, 2300911(2023);Adv. Mater. 36, 2307779(2024))，相關研究成果被選為封面論文發(fā)表。
在光電化學器件原型基礎上(如Advanced Materials封面所示如下)，并針對現(xiàn)有光電神經(jīng)突觸器件所面臨的挑戰(zhàn)，團隊提出基于GaN納米線的光電化學神經(jīng)形態(tài)器件架構。該架構首次將生物系統(tǒng)中的溶液介導的化學-電過程與固態(tài)器件中的光電過程相結合，顯著提升了器件的功能性和生物兼容性(圖1(a)和(b))。
圖1. 生物視覺系統(tǒng)(a)和光電化學神經(jīng)突觸器件(b)對比，以及光電化學器件原型發(fā)表于先進材料封面(c)上
通過這種新型器件的構筑，團隊實現(xiàn)了雙模式的突觸行為，并通過表面鉑金屬的化學修飾，利用新型半導體/電解質表界面結構，成功調控了器件的突觸響應行為。同時，該器件還展現(xiàn)了類生物系統(tǒng)的化學調控突觸特性。更為重要的是，該器件能夠模擬人體內的氧化應激過程，并進一步重現(xiàn)氧化應激引發(fā)的視覺認知衰退現(xiàn)象，如圖2a-2e所示。
圖2. 光電神經(jīng)形態(tài)器件的響應與功能展示。(a-b)負載鉑金屬前后的雙模式突觸響應。(c)生物體內氧化應激現(xiàn)象示意。(d)器件模擬的學習與記憶衰退行為。(e)器件模擬的視覺感知衰退行為
這一器件架構不僅突破了傳統(tǒng)光電神經(jīng)突觸器件的局限性，借助其獨特的溶液工作環(huán)境，還能夠與生物系統(tǒng)兼容并實現(xiàn)一體化集成，有望在仿生視覺、神經(jīng)形態(tài)生物傳感、光控腦機接口和神經(jīng)假肢修復等領域開辟新的應用前景，為未來光電子與生物電子的交叉與集成應用提供新的發(fā)展方向。
此項研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科大雙一流建設經(jīng)費、中央高?；究蒲谢鸬葘ｍ椊?jīng)費的資助，也得到中國科大微電子學院、中國科大微納研究與制造中心和中國科大理化實驗中心的支持。我校孫海定教授為論文通訊作者，博士生劉鑫、已畢業(yè)汪丹浩博士和博士生陳煒為論文的共同第一作者。澳大利亞國立大學傅嵐教授和沙特阿卜杜拉國王科技大學Boon Ooi教授參與了項目的聯(lián)合攻關，劉勝院士為本項目的順利展開提供了重要設備支撐并全程指導。
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