研究背景

人体主要通过视觉系统感知外界80%以上的信息。视网膜在人眼内至关重要，它在视觉信息进入大脑高级处理前，就检测和预处理光信号。视网膜是外界与大脑视觉解读间的桥梁，负责将视觉输入转为电信号传给大脑，并执行过滤、放大、适应和记忆等预处理功能，这些由视网膜内不同类型神经元间的突触完成。预处理能减少视觉数据冗余，提高大脑处理效率，如图像识别、学习和解读。为成功复制视网膜功能、创建有效人工视觉系统，需开发能转换光信号为电信号并具备预处理图像突触可塑性的光电设备。

RGB Color〥iscriminable Photonic Synapse for Neuromorphic Vision System

Bum Ho Jeong, Jaewon Lee, Miju Ku, Jongmin Lee, Dohyung Kim, Seokhyun Ham, Kyu-Tae Lee*, Young-Beom Kim*, Hui Joon Park*

Nano-Micro Letters (2025)17: 78

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01579-y

本文亮点

1. 展示了能够进行多光谱颜色辨别的光子突触。

2. 强激发态偶极子能够实现显著的辨别强度(0.05–40 mW/cm²)。

3. 该方法不受通道层中特定介质的限制，且采用突触阵列的卷积神经网络在加拿大高级研究所10类图像识别任务中实现了超过94%的推理准确率。

内容简介

为模拟人类视网膜的功能并实现神经形态视觉系统，开发一种具备多光谱颜色辨别能力的光子突触至关重要。然而，即使不考虑通道层中的介质限制，在较宽的强度范围内实现稳健的颜色辨别，依然是一个巨大的挑战。韩国汉阳大学Hui Joon Park等人提出了一种方法，该方法可为三端晶体管闪存赋予颜色辨别突触功能，甚至增强其辨别能力。通过将激发时产生的强烈诱导偶极矩效应(该效应由入射光的波长调制)融入浮栅中，在0.05至40 mW/cm²这一显著强度范围内，实现了出色的RGB颜色辨别突触功能。此方法不受通道层特定介质的限制，从而提高了其适用性。通过光子突触阵列的视觉预处理，包括RGB通道的分化和图像对比度的增强以及噪声的减少，验证了这种颜色辨别突触功能的有效性。提出的方法为实现光子突触中稳健且多功能化的RGB颜色辨别提供了有前景的解决方案，推动了人工视觉系统的重大进步。

图文导读

I 光子突触的工作原理

图1a展示了光子突触的器件结构，该结构包含了多种光响应型非对称有机层。这些有机层在受激后会展现出强烈的偶极矩，并通过激发态分子内质子转移(ESIPT)过程延长激发态寿命，从而增强内置电场并增加浮栅中的光电子数量。图1b展示了该器件在底栅顶接触配置下的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像。对薄膜状态的DNH、DN、CH-M和C-M进行紫外-可见光谱测量，以确认分子在所需波长下的吸光度(图1c)。图1d展示了在热平衡中处于零栅极偏压下处于耗尽模式的有机半导体主体通过浮置栅极结构的部件的能带图。在光编程操作期间，当暴露于光时，在光响应浮栅内产生许多电子-空穴对，并且随后被以耗尽模式存在的电场解离。在这种电场条件下，光生空穴可以隧穿Al₂O₃层，而光生电子被捕获在浮动层的导带中，降低晶体管的Vth(图2a、b、g、h)。相反，在电擦除操作期间，施加到栅极的负电压有助于将俘获的电子从浮动栅极移除到主体，有效地将Vth恢复到其原始值(图2g，h)。

为了验证所提出的概念，其中光子突触晶体管中在光照射下的Vth的变化窗口可以通过包含ESIPT分子的浮栅进一步扩展(图1e-h)。如果分子在激发期间具有高本征偶极矩并表现出延长的激发寿命(例如，不对称ESIPT分子)，则在曝光条件下，诱导偶极矩效应在浮栅内进一步加强(图1i)，并且它可以进一步最大化器件内的电场。图1j，k描绘了石英玻璃衬底上的DNH、DN、CH-M和C-M膜的时间分辨光致发光(TRPL)衰减曲线。通过双指数拟合得到了这些有机薄膜的光致发光(PL)寿命。DNH和CH-M在I平行和I垂直之间都表现出显著差异(在波长范围±5 nm内，显示最大强度)，导致高薄膜各向异性(图1l，M)。相反，缺乏强激发态偶极矩的常规有机半导体表现出可忽略的各向异性值，几乎接近于零。图1n示出了DNH和CH-M薄膜的各向异性值随着电场的增加而逐渐减小，表明激发态偶极矩的快速排列。

图1. a. 底栅顶接触配置中带有闪存架构的光子突触晶体管的3D示意图。b. 光子突触器件(Si/SiO₂/ESIPT浮栅/Al₂O₃/C8-BTBT/Au)的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像。c. 在石英上沉积的有机半导体薄膜的紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱。d. 在光照下光子突触晶体管处于光编程模式时的能级图。e-h. 通过密度泛函理论(DFT)获得的光响应有机半导体及其激发态(K*)酮式轨道的化学结构和偶极矩值：(e)DNH(具有ESIPT活性，紫外光响应分子)，(f)DN(非ESIPT，紫外光响应分子)，(g)CH-M(具有ESIPT活性，可见光响应分子)，和(h)C-M(非ESIPT，可见光响应分子)。i. 在光照下具有诱导偶极矩的光子突触晶体管的平带能级图。j, k. 在石英上沉积的有机半导体薄膜的时间分辨光致发光(TRPL)衰减曲线：(j)在405nm波长激发下CH-M和C-M的TRPL衰减曲线；(k)在266nm波长激发下DNH和DN的TRPL衰减曲线。l, m. 具有ESIPT活性的有机薄膜的光致发光(PL)偏振：(l)DNH(在266nm波长激发下)和(m)CH-M(在405nm波长激发下)。n. 施加电场下有机薄膜的光致发光(PL)偏振变化(蓝色：DNH，红色：CH-M)。

图2. a、b 光照射下光子突触晶体管传输曲线的变化。c、d 不同VG值下光照射下(光功率：5 mW·cm⁻²)光子突触晶体管的输出特性：(c)365 nm紫外光下的DN与DN；(d)450 nm蓝光下的CH-M与C-M。e、f 在VD=-10 V时，光子突触晶体管在10秒光照射下的ID随时间变化：(e)VG=-1 V时的DNH与DN；(f)VG=-4 V时的CH-M。g、h 光子突触晶体管的光编程与电擦除：(g)DNH(光编程脉冲条件：365 nm紫外光，5 mW·cm⁻²，脉宽10秒/电编程脉冲条件：VG=-60 V，脉宽1秒)；(h)CH-M(光编程脉冲条件：450 nm蓝光，5 mW·cm⁻²，脉宽10秒/电编程脉冲条件：VG=-60 V，脉宽1秒)。

II 颜色辨别功能

使用原位开尔文探针力显微镜(KPFM)，我们提供的证据表明光照射时Vth的变化主要由Si栅极和C8-BTBT半导体主体之间的电位变化引起(图3a)。这些变化归因于浮栅内俘获的光电子的存在。图3b，d显示了C8-BTBT膜(在Si/SiO₂/DNH/Al₂O₃上)的测量接触电位差(CPD)，表明在紫外光下显著增加。随着光强度分别从0增加到1、3和5 mW cm⁻²，平均表面电位从188.31逐渐上升到309.72、489.72和607.01 mV(图3b、d)。这一观察结果表明，由于捕获电荷量的增加，较高的光强度导致更明显的电位变化。图3c，e示出了C8-BTBT膜(在Si/SiO₂/CH-M/Al₂O₃上)暴露于固定强度为5 mW cm⁻²、波长范围为630至450 nm的可见光。

图3. a. 在器件结构中，使用开尔文探针力显微镜(KPFM)测量(Cr/Au导电探针)C8-BTBT层的示意图。扫描区域为5 × 5 μm²，扫描速率为0.3 Hz。对于表面电势测量，在所有测量条件下，混合薄膜与探针之间的距离均为75 nm(分辨率：256像素×256像素)b-e. Si/SiO₂/ESIPT有机半导体/Al₂O₃上C8-BTBT层的测量表面电势：(b, c)分布图；(d, e)二维映射图。(b, d)在不同光强度下，对DNH集成样品进行紫外光(365 nm)照射；(c, e)在固定光强度下，对CH-M集成样品进行RGB光照射。f, g. (f)DNH-和(g)CH-M-集成光子突触晶体管的循环间变化(CCV)。在环境条件下连续500个周期内，光编程状态和电擦除状态下的阈值电压值。h-k. (h, i)DNH-和(j, k)CH-M-集成光子突触晶体管的器件间变化(DDV)。

III 照片编程

图2a展示了在5 mW·cm⁻²强度的紫外光照射下，以DNH和DN作为浮栅层的晶体管的转移特性。两条转移曲线均向正方向偏移，这表明阈值电压(Vth)减小，因此在相同的栅极电压(VGS)下，漏极电流(ID)增大。此外，在相同的紫外光功率条件下，包含DNH的器件的漏极电流(ID)显著高于包含DN的器件(图2c)。图2e展示了在5 mW·cm⁻²强度的紫外光照射下，以及无紫外光照射时，漏极电流(ID)随时间的变化。在紫外光照射下，电流突然且显著地增加。因此，当受到相同功率条件(5 mW·cm⁻²)的照射时，包含CH-M作为浮栅层的晶体管的转移特性会根据可见光的波长向正方向呈现不同的偏移(图2b)。这一特性使得该器件具有颜色辨别能力。因此，当受到不同颜色的光照射时，漏极电流(ID)随时间的变化会表现出不同程度的电流增加，而相应的非易失性电导变化也会根据波长而有所不同(图2f)。此外，DNH和CH-M基闪存器件的光可编程和电可擦除转移特性如图2g、h所示。

在环境条件下，将ESIPT活性有机薄膜(如DNH和CH-M)集成到闪存器件中后，其光编程和电擦除的重复循环如图3f、g所示。此外，还通过分析DNH和CH-M集成闪存器件(分别如图3h、i和j、k所示)各自80个器件的传输曲线和存储器窗口，研究了器件间变化(DDV)。这些狭窄的分布表明，在多个器件之间具有很高的可重复性。

IV 光突触特性

如图4a所示，当动作电位到达突触前膜时，神经递质会被释放到突触间隙中，从而导致突触后膜产生电位变化。在光子晶体管(图4b)中，通过向光敏浮栅施加光脉冲并向硅栅施加电脉冲，可以调制器件的电导，该电导代表突触权重。图4c、d示出了DNH-、DN-和CH-M集成光子晶体管的EPSC行为。这些行为是由作为突触前信号的单个光脉冲尖峰诱发的。图4c证实，在紫外光脉冲照射下，具有ESIPT活性的DNH晶体管的兴奋性突触后电流变化量(∆EPSC)显著高于非ESIPT的DN晶体管，这与之前描述的光照期间观察到的阈值电压变化(Vth变化)很好地对应(图2)。此外，CH-M集成的晶体管在响应三个强度和宽度均相同的单色可见光脉冲(RGB)时，表现出不同程度的∆EPSC变化。图4e、f展示了DNH和CHM集成器件的双脉冲易化(PPF)指数，该指数定义为第二次突触后电流幅度(A₂)与第一次突触后电流幅度(A₁)的比值。

图4. a、b 图a和图b分别示意性地展示了(a)生物突触与(b)本文中的光子突触在功能和结构上的比较。c、d 在读出电压VDS = -10 V下，光子突触的兴奋性突触后电流(EPSC)行为：(c)DNH和DN(在VG = -1 V下，使用365 nm、5 mW·cm⁻²、2 s脉冲宽度的紫外光)；(d)CH-M(在VG = -4 V下，使用450 nm蓝色、525 nm绿色和630 nm红色、5 mW·cm⁻²、2 s脉冲宽度的光)。e、f 在读出电压VDS = -10 V下，双脉冲易化(PPF)指数(A₂/A₁)与两个连续光脉冲之间间隔(0.1 s≤Δt≤16 s)的函数关系：(e)DNH(在VG = -1 V下，使用365 nm、5 mW·cm⁻²、2 s脉冲宽度的紫外光)；(f)CH-M(在VG = -4 V下，使用450 nm蓝色、5 mW·cm⁻²、2 s脉冲宽度的光)。

图5a、d表示DNH和CH-M集成器件的PSC响应于变化的光脉冲宽度的变化。在DNH使用紫外光(365 nm，5 mW·cm⁻²，持续时间：2 s，间隔：0.3 s)和CH-M使用蓝光(450 nm，5 mW·cm⁻²，持续时间：2 s，间隔：0.3 s)的情况下，在多达200个光脉冲的重复刺激下，突触后电流(PSC)显著放大，分别达到了735.21 nA(图5b)和163.15 nA(图5e)。这些结果证实，光可以有效地作为输入信号，从器件中提供输出电流。图5c展示了DNH和DN集成器件的长期增强/长期抑制(LTP/LTD)曲线，这些曲线代表了它们通过一系列脉冲进行的电导调制。此外，CH-M集成的光子突触对每种单色可见光脉冲都表现出不同的响应，为不同颜色绘制了单独的LTP/LTD曲线，并突出了光子晶体管的颜色依赖性区分能力(图5f)。

图5. a、b、d、e 光子突触晶体管在不同光脉冲条件下的突触后电流(PSC)变化。脉冲宽度：(a)DNH和(d)CH-M。光脉冲条件已在上方图中描述。脉冲数量：(b)DNH和(e)CH-M。光脉冲条件已在上方图中描述。c、f 光子突触晶体管的长期增强/长期抑制(LTP/LTD)特性：(c)DNH和DN，以及(f)CH-M。插图展示了用于LTP和LTD的光脉冲和电压脉冲条件。

V 辨色光突触特性

图6a展示了在连续100个单色光脉冲照射下，CH-M集成晶体管的PSC(可能指光电流或某种性能参数)和电导变化的情况。该图表明，随着光脉冲数量的增加，RGB(红绿蓝)颜色的区分度变得更加明显。图6d显示，对于红、绿、蓝这三种原色，PSC(及其对应的电导)的输出分布是清晰分离的，并且在光脉冲结束后仍然保持不变。为了验证光子突触在不同外部环境中的颜色辨别能力，我们研究了基于CHM的器件在各种强度范围内的颜色区分能力，特别是从1到40毫瓦每平方厘米(mW cm⁻²)的范围内(如图6b、6c、6e、6f所示)。这个强度范围适用于人类视觉系统，并且被认为对人眼是安全的。此外，在100个连续脉冲串之后，在所述强度范围内的鉴别颜色之间的对比度变得更加明显(图6c)。图6g-i和表S3呈现了示例性3位分辨率混合RGB颜色辨别。为了使光子突触具有混合颜色辨别能力，PSC和电导变化对于每个RGB原色必须是不同的，如所描述的，并且B颜色的每个状态之间的PSC值的差异应该显著超过G和R颜色的状态之间的最高PSC值。

图6. a. PSC变化：在相同的光脉冲条件下，CH-M集成光子突触在连续100个单色可见光脉冲(红色：630 nm，绿色：525 nm，蓝色：450 nm)下的PSC变化。VGS和VDS分别设置为-4 V和-10 V。b. 转移曲线：在RGB单色光脉冲(脉冲宽度为2 s)照射后，随着光强从1到40 mW/cm²变化，CH-M集成光子突触的转移曲线。c. PSC分布：在不同光强(从1到40 mW/cm²)下，随着RGB光脉冲数量(脉冲宽度为2 s)变化，CH-M集成光子突触的PSC分布。d. PSC分布与脉冲数量和保持时间的关系：根据结果获得的PSC分布与脉冲数量(以脉冲计)和保持时间(以秒计)的关系。e. 阈值电压偏移：根据转移曲线估计的阈值电压Vth偏移。f. 根据PSC分布计算的CH-M集成光子突触的动态范围。g-i. RGB混合色辨别：CH-M集成光子突触(C8-BTBT通道)在3位分辨率下的RGB混合色辨别能力。每个状态的PSC值是根据不同光强(0, 1, 3, 5, 10, 20, 30和40 mW/cm²)下的PSC值获得的。图g、h和i分别展示了蓝色、绿色和红色的混合色辨别结果。

同时，使用了不同的通道材料制造了CH-M集成光子突触，并测试了它们的光功能，以验证方法的普遍性。引入了两种广泛使用的有机半导体材料——P3HT和PTB7，作为替代的通道材料。图7a–f所示的结果表明，这些材料能够成功执行光功能任务，包括光编程、电擦除、在1至40 mW cm⁻²范围内的不同光强度下的颜色辨别，以及在RGB彩光下的LTP/LTD行为。 

图7. Ni₃Fe氧化物/聚苯胺(PANI)催化剂的电催化机理。a. 在10 mA cm⁻²的电流密度下，经过10小时的析氧反应(OER)稳定性测试后，Ni₃Fe氧化物和Ni₃Fe氧化物/PANI催化剂的X射线衍射(XRD)图谱。b. 在相对于可逆氢电极(RHE)1.0–1.6 V的电位范围内，Ni₃Fe氧化物、PANI和Ni₃Fe氧化物/PANI催化剂的循环伏安(CV)曲线。c-f. 在10 mA cm⁻²的电流密度下，经过10小时的OER稳定性测试后，Ni₃Fe氧化物/PANI催化剂的X射线光电子能谱(XPS)图谱：c. Ni 2p₃/₂，d. Fe 2p，e. O 1s和f. N 1s。g. 在相对于RHE 1.27–1.67 V的电位范围内，Ni₃Fe氧化物、PANI和Ni₃Fe氧化物/PANI催化剂的相位值和频率的比较。h. 在相对于RHE 1.62 V的电位下，Ni₃Fe氧化物和Ni₃Fe氧化物/PANI催化剂的电化学阻抗谱(EIS)波特图。i. Ni₃Fe氧化物/PANI催化剂在OER过程中的示意图。

VI 人眼视觉系统仿真

为了模拟视觉系统的功能，我们采用了两种类型的光子突触：CH-M整合的和DNH整合的。具有颜色辨别突触能力的具有CH-M的设备被用于设计能够检测和预处理多光谱输入光信号的光子突触阵列——涉及颜色对比度增强(图8a-c)和混合颜色辨别到三个RGB通道中(图8d)，类似于人眼中视网膜执行的角色。图8a-c描绘了响应于特定光图案的CH-M集成光子突触阵列的感测和预处理结果，特别突出了颜色对比度增强。如图8d所示，通过CH-M集成晶体管阵列将示例性复杂16 × 16像素图像分离成三个单独的RGB图像，其中每个像素由具有变化强度(3位分辨率，0-7)的RGB颜色组成。 

图8. a-c 颜色对比度增强。在不同脉冲和保持时间条件下，对阵列中每个像素测量的光电导器件(PSC)进行二维等高线映射。光脉冲条件和读出电压VGS及VDS与图6a中所示的一致。d 在1至40 mW cm⁻²范围内，以3位分辨率将混合颜色区分为三个RGB通道：(B, G, R)=(0–7, 0–7, 0–7)。

图9a描绘了人类视觉系统中的彩色图像识别过程的概念图示。这个系统负责捕捉视觉信号，这些信号构成了人类从周围环境中感知到的大约80%的信息。在图9b所示的人工视觉系统的早期步骤中，描绘了这种混合颜色辨别以及前面提到的颜色对比度增强功能，它们模仿了视网膜中的预处理过程。在图9c、d中，展示了卷积神经网络(CNN)对CIFAR-10数据集的推理准确率。该准确率是使用从实验制备的光子突触阵列中提取的参数计算得出的。值得注意的是，在处理预处理后的输入图像时，经过100个训练周期后，CNN的准确率达到了92%和94%。 

图9. a. 人类视觉识别系统示意图，该系统包括视网膜(负责接收与预处理视觉信息)、视神经(负责传导视觉信号)以及视觉皮层(负责处理与记忆视觉信息)。b. 针对CIFAR-10数据集的卷积神经网络(CNN)示意图，该网络由针对RGB颜色辨别的预处理层、卷积层、池化层以及全连接层组成。c, d. CNN在CIFAR-10数据集上的图像识别推理准确率(采用3位分辨率的RGB图像进行预处理，并采用双向权重更新策略)：(c)关于颜色对比度增强功能(准确率随亮度降低百分比而变化)；(d)关于颜色辨别功能(准确率随颜色重叠百分比而变化)。e. CNN全连接层所用的光子突触晶体管阵列。

VII 总结

视网膜具有区分和增强颜色的固有能力，这是其基础特性之一，使得视网膜能够熟练地检测并有效地预处理视觉信号。因此，展示具备多光谱颜色辨别突触能力的光子器件对于实现人工视觉系统至关重要。该研究提出了一种机制，通过利用激发时产生的强烈诱导偶极效应来拓宽基于浮栅的光子突触晶体管的光编程窗口。这种激发时的诱导偶极效应还具有波长依赖性，因此可以根据入射光的波长精确控制光编程窗口。由此，该突触器件展现出了卓越的颜色辨别能力。

为了实现光照下强烈的诱导偶极效应，采用了在激发时具有高本征偶极矩的非对称分子。特别是，当分子设计遵循激发态分子内质子转移(ESIPT)过程时，这种效应尤为有效，因为该过程可以延长分子的激发态寿命。诱导偶极矩效应的程度取决于激发分子的密度，而分子的密度又受到其光谱吸收率和波长依赖的激发态寿命的影响。因此，通过利用ESIPT分子展现出显著的光谱吸收率和激发态寿命梯度，可以在突触器件中引入波长依赖的诱导偶极矩效应，从而实现卓越的颜色辨别特性。由于该方法涉及对浮栅层的改性，因此可以应用于各种类型的基于通道层的晶体管，从而提高了该方法的通用性和适用性。通过在光子突触阵列上进行视觉预处理，验证了这种颜色辨别突触功能的有效性，从而提高了卷积神经网络(CNN)在彩色图像识别任务中的推理准确率至94%以上。

作者简介

Hui Joon Park

本文通讯作者

韩国汉阳大学 副教授

▍主要研究领域

人工神经网络(ANN)的硬件实现、钙钛矿光伏电池、结构色生成。

▍个人简介

韩国汉阳大学半导体工程系副教授，有机和纳米工程系主任。2002年获得首尔国立大学理学学士，2004年首尔国立大学理学硕士，2012年获美国密歇根大学高分子科学与工程/电气工程博士。曾获雅州大学出版奖、英特尔有限公司部门奖等。在Advanced Materials、Nature communications、Acs Nano等期刊上发表学术论文110余篇，H因子70。

▍Email：huijoon@hanyang.ac.kr

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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