视觉作为获取信息的有效手段，被认为是生物体最重要的感官之一。视觉的产生需要经历系列复杂的事件，从外部物体发出或反射的入射光被成像在视网膜上，经过视网膜的初始处理之后，视神经纤维将入射光子信号转化为动作电位，并通过神经网络中的突触将它们从一个神经元传递到另一个神经元，以便在大脑中进行感知。从视觉生成过程的上述特征来看，发展同时具有光传感和突触功能的器件—光突触器件是实现人工视觉感知系统的基本条件之一。
近年来，科研工作者对光突触器件展开了深入研究。光突触器件结合了光电探测及神经突触两者的功能，可以将检测到的光信号转变成电信号，并模拟神经元和突触功能，如短期可塑性（STP）、长期增强（LTP）和尖峰时序依赖性可塑性（STDP）。在现有的各类型器件中，由于有机半导体具有光/电性能可调、可溶液法制备以及良好柔韧性等特点，因此具有优异光响应的有机场效应晶体管（OFET）成为了发展高性能光突触器件的理想选择之一。OFET主要依靠半导体层内或半导体/介电层界面处的光生电荷捕获/去捕获的过程来实现光刺激下的神经突触功能。此外，晶体管的三端器件结构提供了额外的栅极电场来调节对光刺激的反应程度和突触的权重变化，因此能够模拟光信号在视觉系统中的感知和传输过程，以及人脑的神经形态强化学习功能。
现有的光突触OFET器件已成功实现了对神经突触行为的模拟，但是器件的能耗逐渐成为制约其实际应用的关键障碍。在人脑中，复杂任务的处理过程，如生物视觉系统中的图像识别和学习，有赖于高度复杂的神经网络。在人脑中，大量的突触连接起来形成的神经网络并行处理复杂的视觉信息，而每个突触仅消耗极少量的能量，仅约1-100 fJ。然而，目前的仿生光突触OFET器件通常呈现出较大的后突触电流和较高的工作电压，导致器件的能耗比人脑突触要高得多。高能耗限制了仿生光突触OFET器件的规模集成及应用，极大制约了其在仿生视觉领域的应用。因此，在保证光突触性能的同时，还急需发展简单有效的策略来大幅降低光突触OFET器件的能耗。
针对上述问题，苏州大学张晓宏教授与揭建胜教授团队首次报道了一种可全溶液印刷、低能耗的肖特基型光突触OFET阵列，并探索了该集成器件在人工视觉神经网络中的可能应用。
图1.全溶液印刷制备的光突触OFET器件阵列及单个器件的性能表征
肖特基型光突触OFET利用表面修饰后的Ag作为源漏电极，其与DiF-TES-ADT有机小分子晶体接触后形成约为0.15 eV的空穴注入势垒。通过利用栅极对肖特基势垒高度进行调节，可以有效操控载流子的注入与耗尽。该类器件可以将工作电压由通常OFET器件的几十伏甚至上百伏，大大降低至约0.1 V左右，同时将工作电流限制在pA级。因此，该肖特基型OFET可以以极低的能耗模拟光突触的行为。在短期可塑性中，每个光突触事件的能耗仅为0.07-34 fJ，而在长期记忆增强行为中，每个光突触事件的平均能耗为0.41-19.87 fJ，两者都到达了人脑中突触能耗的水平。与传统欧姆接触的光突触OFET器件相比，肖特基型器件的最低能耗降低了约四个数量级。此外，该团队通过全溶液印刷技术在柔性基底上制备了8 × 8肖特基型光突触OFET阵列来构建光神经网络。该集成器件在超低能耗下，成功展示了神经形态的图像学习增强以及识别功能。该工作提出的肖特基型OFET具有极低的能耗以及优异的光突触器件功能，为进一步发展低成本、大面积仿生视觉神经网络提供了新的实现途径。
图2.肖特基型光突触OFET器件阵列在低能耗仿生视觉中的应用
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是苏州大学博士研究生施加林。
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