摘要：近日，中国科研团队在光电子突触晶体管领域取得重要进展，相关成果以“Physisorption-assistant optoelectronic synaptic transistors based onTa2NiSe5/SnS2heterojunction f

近日，中国科研团队在光电子突触晶体管领域取得重要进展，相关成果以 “Physisorption-assistant optoelectronic synaptic transistors based onTa2NiSe5/SnS2heterojunction from ultraviolet to near-infrared” 为题，发表于国际知名期刊《Light: Science & Applications》。论文的通信作者为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的Nan Zhang和Shaojuan Li。该研究由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室牵头，联合中国科学院大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室、中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室，以及沙特阿卜杜拉国王科技大学共同完成。创新性地制备了基于Ta2NiSe5/SnS2异质结的物理吸附辅助光电子突触晶体管，为神经形态计算视觉领域发展提供了关键支撑。

1. 研究背景：

视觉感知是获取外界信息的重要方式，在多领域应用广泛，但传统视觉传感器基于冯·诺依曼架构，存在运算能力提升和功耗降低的难题。神经形态视觉传感器为突破视觉感知运算瓶颈提供了新方向，其中集视觉感知、处理和存储功能于一体的神经形态传感器备受关注。光电突触晶体管作为这类传感器的代表，虽有内存感知能力，但多数只能在特定波长或有限波长范围工作，在近红外波段响应性和数据保留时间有限，限制了其在多光谱机器视觉中的应用。

2. 材料设计与制备：

利用机械剥离法从块状单晶中获取Ta2NiSe5和SnS2薄片，通过高精度二维材料转移平台将Ta2NiSe5转移到预清洁的Si/SiO2（285nm）衬底上作为异质结底层材料，再将SnS2转移到Ta2NiSe5上作为顶层材料，之后用紫外光刻和热蒸发法制作间距20μm、厚度20/80nm的钛（Ti）/金（Au）电极，并在N2气氛下200°C退火20min ，以确保界面紧密堆叠，同时制备了纯Ta2NiSe5和纯SnS2器件作为对照。

3.结构与性能表征

结构表征：光学显微镜观察器件形貌，拉曼光谱证实Ta2NiSe5/SnS2异质结成功制备，原子力显微镜显示Ta2NiSe5和SnS2厚度分别为39.1nm和8.4nm且高度均匀，开尔文探针力显微镜测量表明SnS2的费米能级比Ta2NiSe5低179.2mV，形成强内建电场 。

光电特性：在不同激光功率下测量源漏\(I-V\)曲线，计算得出器件在2.1nW入射功率下具有最高的比探测率（D* = 2.50 × 1014 Jones）、外量子效率（EQE = 38810%）和响应度(R = 166.3 A W−1)。瞬态光电响应测试中，光电流在光激发后不会立即下降，存在持续光导（PPC）效应，且衰减过程可通过多光脉冲调制 。研究转移曲线发现，栅极电压主要改变器件通道中的电子密度，光生载流子的不对称传输导致PPC现象，物理吸附辅助可增强PPC效应，使器件在近红外波段也能实现宽带光电子突触应用。器件在375 - 1550nm范围内有两个响应峰，分别位于405nm和980nm 。

4.光可调突触行为

基本突触功能模拟：受人类视觉系统启发，用不同波长（375 - 1310nm）光脉冲刺激器件，产生兴奋性突触后电流（EPSC），其峰值和记忆时间随波长变化，且与光脉冲功率和持续时间相关，表明器件能感知和区分不同波长光信号。双脉冲易化（PPF）测试中，375 - 1310nm范围内第二个光脉冲诱发的EPSC大于第一个，PPF指数随脉冲间隔时间增加呈指数衰减，体现了器件预处理多光谱信息的潜力。

长时程增强与学习记忆模拟：改变光脉冲数量可实现从短时程增强（STP）到长时程增强（LTP）的转变，EPSC峰值和保留时间随光脉冲数量增加而增加，遗忘率可通过重复学习调节。研究LTP关键参数发现，EPSC增益在脉冲数小于300时线性增加，大于300时偏离线性并饱和；器件动态范围为10.43dB，非线性度为26.57，在硬件人工神经网络应用方面潜力巨大。

5.可调长时程可塑性

情绪对学习影响的模拟：通过改变栅极电压模拟情绪对学习的影响，在635nm激光下，30个连续光脉冲触发的EPSC最大值随栅极电压升高而增加，负向栅压下学习结果遗忘更快，正向栅压下遗忘更慢，符合情绪对人类学习的影响规律。 LTP和LTD的调控：光脉冲和电脉冲分别更新Ta2NiSe5/SnS2器件的LTP和LTD ，连续光刺激使电流增加，施加正栅压脉冲后电流恢复初始值 。

频率依赖特性与联想学习模拟：LTP可通过光脉冲频率调制，器件具有高通滤波特性，截止频率为1.67Hz ，可用于图像预处理。模拟巴甫洛夫联想学习实验中，器件能在可见光和近红外波段建立条件反射，多次训练可增强条件反射 。

6.人类视觉系统行为模拟

学习-遗忘-再学习过程模拟：用多个光脉冲模拟人类学习和再学习过程，在暗态环境模拟遗忘，结果显示再学习效率更高，记忆效果更强，与艾宾浩斯遗忘曲线相似。

光适应行为模拟：该器件能像人类视觉系统一样适应光功率变化，在不同光强下通过调整偏置电压处理视觉信息，可作为人工视觉系统中的人工瞳孔 。

颜色识别与成像模拟：用RGB光脉冲（635nm、532nm、405nm）照射器件模拟视网膜颜色识别行为，器件能有效区分不同颜色光，且颜色识别能力可通过多次学习增强，还可通过单点扫描实现神经形态成像 。

7. 研究总结：

制备的物理吸附辅助光电子突触晶体管在多光谱信息识别、预处理和记忆方面性能优异。通过物理吸附表面态和能带工程策略，器件在可见光和近红外光下具有高比探测率、超高外量子效率和响应度。由于PAPPC效应，器件能模拟多种典型突触功能，突触可塑性可通过栅压脉冲调制，实现多级非易失性光电子记忆。此外，还开发了简化的人类视觉系统模拟颜色认知感知和记忆功能。该研究为先进一体化神经形态传感器的研发和神经形态计算视觉的发展提供了有效途径，气体吸附辅助光电子突触器件有望成为传感技术的重要发展方向。

这项研究为开发先进的一体化神经形态传感器和神经形态计算视觉提供了新的路径，有望推动人工智能、机器人视觉等领域的发展。未来，科研团队将继续深入研究，进一步优化器件性能，拓展其在多领域的应用。

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来源：凯视迈精密测量