近日，中國(guó)科大微電子學(xué)院孫海定教授iGaN Lab課題組與武漢大學(xué)劉勝院士團(tuán)隊(duì)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(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)以第三代半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）為核心材料的光電神經(jīng)突觸器件，實(shí)現(xiàn)具有化學(xué)調(diào)控的神經(jīng)形態(tài)功能。該器件首次提出利用光電化學(xué)器件架構(gòu)，結(jié)合傳統(tǒng)半導(dǎo)體構(gòu)筑新型半導(dǎo)體/電解質(zhì)異質(zhì)界面，并逼真模擬了生物體中的復(fù)雜視覺(jué)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。

隨著人工智能和大數(shù)據(jù)時(shí)代的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)量和信息處理需求急劇增長(zhǎng)，而光電感知技術(shù)作為現(xiàn)代信息傳輸和處理的核心手段，顯得愈發(fā)關(guān)鍵。受生物視覺(jué)啟發(fā)的光電神經(jīng)突觸器件，有望將光電感知、信息存儲(chǔ)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(kāi)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(lài)于傳統(tǒng)光電物理過(guò)程，無(wú)法有效模擬生物視覺(jué)系統(tǒng)中復(fù)雜的化學(xué)-光電全過(guò)程，較大程度限制了其功能性和應(yīng)用場(chǎng)景。

近年來(lái)，光電化學(xué)器件因其將物理和化學(xué)過(guò)程相結(jié)合的獨(dú)特工作優(yōu)勢(shì)，逐漸成為研究熱點(diǎn)。該類(lèi)器件不僅涵蓋了經(jīng)典半導(dǎo)體物理中的光生載流子的產(chǎn)生、提取和輸運(yùn)行為，還包括在半導(dǎo)體/電解質(zhì)溶液界面上的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的光電功能提供了新的器件架構(gòu)。在前期研究中，團(tuán)隊(duì)利用分子束外延技術(shù)所制備的高質(zhì)量的GaN納米線(xiàn)，在p-n異質(zhì)結(jié)納米線(xiàn)中首次實(shí)現(xiàn)光電流極性翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象(Nat. Electron. 4, 645–652 (2021))，并將其應(yīng)用于光電邏輯門(mén)和水下加密光通信系統(tǒng)中(Adv. Mater. 35, 2300911(2023);Adv. Mater. 36, 2307779(2024))，相關(guān)研究成果被選為封面論文發(fā)表。

在光電化學(xué)器件原型基礎(chǔ)上（如Advanced Materials封面所示如下），并針對(duì)現(xiàn)有光電神經(jīng)突觸器件所面臨的挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)提出基于GaN納米線(xiàn)的光電化學(xué)神經(jīng)形態(tài)器件架構(gòu)。該架構(gòu)首次將生物系統(tǒng)中的溶液介導(dǎo)的化學(xué)-電過(guò)程與固態(tài)器件中的光電過(guò)程相結(jié)合，顯著提升了器件的功能性和生物兼容性（圖1（a）和（b））。

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圖1. 生物視覺(jué)系統(tǒng)(a)和光電化學(xué)神經(jīng)突觸器件(b)對(duì)比，以及光電化學(xué)器件原型發(fā)表于先進(jìn)材料封面（c）上

通過(guò)這種新型器件的構(gòu)筑，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了雙模式的突觸行為，并通過(guò)表面鉑金屬的化學(xué)修飾，利用新型半導(dǎo)體/電解質(zhì)表界面結(jié)構(gòu)，成功調(diào)控了器件的突觸響應(yīng)行為。同時(shí)，該器件還展現(xiàn)了類(lèi)生物系統(tǒng)的化學(xué)調(diào)控突觸特性。更為重要的是，該器件能夠模擬人體內(nèi)的氧化應(yīng)激過(guò)程，并進(jìn)一步重現(xiàn)氧化應(yīng)激引發(fā)的視覺(jué)認(rèn)知衰退現(xiàn)象，如圖2a-2e所示。

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圖2. 光電神經(jīng)形態(tài)器件的響應(yīng)與功能展示。（a-b）負(fù)載鉑金屬前后的雙模式突觸響應(yīng)。（c）生物體內(nèi)氧化應(yīng)激現(xiàn)象示意。（d）器件模擬的學(xué)習(xí)與記憶衰退行為。（e）器件模擬的視覺(jué)感知衰退行為

這一器件架構(gòu)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(dú)特的溶液工作環(huán)境，還能夠與生物系統(tǒng)兼容并實(shí)現(xiàn)一體化集成，有望在仿生視覺(jué)、神經(jīng)形態(tài)生物傳感、光控腦機(jī)接口和神經(jīng)假肢修復(fù)等領(lǐng)域開(kāi)辟新的應(yīng)用前景，為未來(lái)光電子與生物電子的交叉與集成應(yīng)用提供新的發(fā)展方向。

此項(xiàng)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科大雙一流建設(shè)經(jīng)費(fèi)、中央高�；�本科研基金等專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的資助，也得到中國(guó)科大微電子學(xué)院、中國(guó)科大微納研究與制造中心和中國(guó)科大理化實(shí)驗(yàn)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(guó)立大學(xué)傅嵐教授和沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Boon Ooi教授參與了項(xiàng)目的聯(lián)合攻關(guān)，劉勝院士為本項(xiàng)目的順利展開(kāi)提供了重要設(shè)備支撐并全程指導(dǎo)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51194-z