近日，在國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等項目資助下，基礎(chǔ)與前沿研究院王志明教授、童鑫研究員在國際著名期刊《ACS Nano》和《Advanced Functional Materials》上連續(xù)發(fā)表2篇關(guān)于半導(dǎo)體膠體量子點光電傳感與類智能應(yīng)用的研究成果，2021級博士研究生羅晶瑩和2024級博士研究生辜麗萍分別為論文第一作者，王志明教授和童鑫研究員為論文通訊作者，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院為論文第一單位。
研究成果一：Tailored Environment-Friendly Reverse Type-I Colloidal Quantum Dots for a Near-Infrared Optical Synapse and Artificial Vision System. ACS Nano 2024, 18 (43), 29991-30003.
近年來，受生物視覺系統(tǒng)的啟發(fā)，研究者們對開發(fā)人工視覺系統(tǒng)產(chǎn)生了濃厚的興趣，通過利用人工光突觸器件來關(guān)聯(lián)突觸可塑性和光信號，已在視覺信息的感知、存儲和處理方面展現(xiàn)出了巨大潛力。人工光電突觸器件的發(fā)展已成為人工智能領(lǐng)域的一個關(guān)鍵攻關(guān)方向，但目前大多數(shù)光電突觸器件都局限在紫外或可見光區(qū)域工作，難以響應(yīng)到近紅外波段，嚴(yán)重阻礙了其在夜視、車輛自動駕駛和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的發(fā)展。半導(dǎo)體膠體量子點（QDs）由于其低成本和獨特的物理性質(zhì)，能夠作為近紅外光電探測器的光吸收層，在近紅外探測方面展現(xiàn)出了巨大潛力。但基于QDs的近紅外光電探測器目前仍然存在一些亟待解決的關(guān)鍵問題，包括使用重金屬元素（Pb、Hg）QDs、QDs光生電荷分離/轉(zhuǎn)移效率低和穩(wěn)定性差等。
本研究合理設(shè)計并制備出了一種具有反I型能帶結(jié)構(gòu)的環(huán)保型ZnSe/InP QDs，并通過Cu摻雜實現(xiàn)了近紅外光電響應(yīng)，成功用于組裝近紅外光電探測器并實現(xiàn)人工突觸視覺系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，在ZnSe/InP QDs的殼層中引入Cu元素，能夠顯著拓寬ZnSe/InP QDs的吸收光譜到近紅外范圍，且Cu摻雜能夠在InP殼層中引入雜質(zhì)能級，俘獲核中的光生空穴，促進(jìn)核殼QDs光生載流子提取，從而顯著提高對應(yīng)光電探測器的性能，在400 nm光照下實現(xiàn)了70.5 A W-1的響應(yīng)度和2.8×1011Jones探測率。通過利用這種ZnSe/InP:Cu QDs光電探測器作為人工突觸器件，可以在近紅外光照下模擬多種生物突觸行為，包括短期可塑性（STP）/長期可塑性（LTP）以及“學(xué)習(xí)-遺忘-再學(xué)習(xí)”過程，并在進(jìn)行突觸活動中實現(xiàn)了較低的能量消耗?；谄骷耐挥|特性，通過進(jìn)一步將器件小型化并構(gòu)建出3×3陣列，還成功模擬了一種近紅外人工視覺系統(tǒng)對圖像的識別、記憶和遺忘的過程，展現(xiàn)出了該器件在光學(xué)神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
圖1 基于環(huán)保型半導(dǎo)體膠體量子點的近紅外光電突觸及人工視覺系統(tǒng)
研究成果二：Colloidal Quantum Dots-Based Photoelectrochemical-Type Optoelectronic Synapse. Advanced Functional Materials 2024, 2415178.
目前，大多數(shù)基于光電探測器（PD）的人工光電突觸被設(shè)計為工作在非液體環(huán)境下的固態(tài)器件，阻礙了器件模擬實際生物突觸在液體環(huán)境下的離子和生物化學(xué)過程。在各類PD器件中，光電化學(xué)（PEC）型PD因其高效的光響應(yīng)、低成本/簡單的制造工藝、高靈敏度和快速響應(yīng)而受到廣泛關(guān)注。更重要的是，在電解質(zhì)水溶液環(huán)境下還可以有效操縱PEC-PD的光生載流子遷移和輸運動力學(xué)。因此，由于人腦主要通過液體環(huán)境下的生物視覺皮層系統(tǒng)獲取外部信息，對光信號敏感的PEC-PD用于人工光電突觸應(yīng)用將有望實現(xiàn)視覺傳感、信號處理和記憶功能的有機(jī)結(jié)合和高性能生化神經(jīng)形態(tài)計算。
半導(dǎo)體膠體量子點（QDs）因其獨特的尺寸/組分可調(diào)光電特性，目前已被廣泛用于固態(tài)PD和液相PEC器件應(yīng)用。其中，I-III-VI族QDs因其具有環(huán)境友好性、高吸收系數(shù)和組分可調(diào)光學(xué)性質(zhì)等特點，逐漸成為了傳統(tǒng)有毒重金屬（Pb、Cd、Hg 等）QDs及其高性能光電器件的理想替代材料。本研究成功制備了一種具有環(huán)境友好特性、可見光寬譜響應(yīng)和有效載流子傳輸特性的新型CuInGaSe/ZnSe量子點并組裝出能夠工作在電解質(zhì)水溶液環(huán)境下的光電化學(xué)型人工光電突觸。通過調(diào)控激發(fā)光脈沖的波長、脈沖數(shù)、頻率、功率密度以及器件外加偏壓，證明了基于CuInGaSe/ZnSe QDs的PEC型人工光電突觸能夠?qū)崿F(xiàn)各類生物突觸行為特性，包括配對脈沖促進(jìn)（PPF）、興奮性突觸后電流 （EPSC）、短期可塑性（STP）、長期可塑性（LTP）和學(xué)習(xí)/遺忘過程，展現(xiàn)出其在未來水下人工智能技術(shù)應(yīng)用中的巨大潛力。
圖2 半導(dǎo)體膠體量子點光電化學(xué)型人工光電突觸及其水下人工智能應(yīng)用
近日，Wiley中國還授予王志明教授和童鑫研究員2024年第二季度“Wiley威立中國高貢獻(xiàn)作者獎”。2024年4月，團(tuán)隊在Wiley出版社旗下的中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊《Electron》上發(fā)表了題為“Colloidal quantum dots and two-dimensional material heterostructures for photodetector applications”的論文，并在發(fā)表后受到了全球?qū)W者們的廣泛關(guān)注，在該期刊中國作者2024年第二季度發(fā)表文章三月內(nèi)下載量中位列前茅。該論文綜述了近年來基于量子點和二維材料異質(zhì)結(jié)在光電探測器領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要介紹了基于量子點/二維材料異質(zhì)結(jié)光電探測器的結(jié)構(gòu)分類、工作機(jī)制、材料制備方法和異質(zhì)結(jié)構(gòu)建方法，詳細(xì)討論了基于量子點/不同二維材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器最新進(jìn)展及其在光電突觸、人工視覺系統(tǒng)和可穿戴醫(yī)療健康方面的創(chuàng)新應(yīng)用，并概述了該領(lǐng)域的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)。
圖3 Wiley中國授予王志明教授和童鑫研究員“Wiley威立中國高貢獻(xiàn)作者獎”
