文章导读
基于Ta2NiSe5/SnS2异质结的紫外至近红外物理吸附辅助光电突触晶体管
本文报道了一种基于Ta2NiSe5/SnS2异质结的物理吸附辅助光电突触晶体管，通过创新性地利用气体分子物理吸附诱导的局域态（PAPPC效应），实现了从紫外（375 nm）至近红外（1310 nm）宽谱带内可调谐的突触功能与高性能非易失性光存储。该器件在可见光与近红外波段分别展现出超高响应度（5.6×103 A/W @ 405 nm；14.4 A/W @ 980 nm）、探测率（4.1×1014 Jones @ 405 nm；1.1×1012 Jones @ 980 nm）及量子效率（1.7×106% @ 405 nm），突破了传统神经形态传感器在近红外波段响应弱、数据保持时间短的瓶颈。通过能带工程与表面态调控，器件成功模拟了生物突触的核心行为：兴奋性突触后电流（EPSC）、双脉冲易化（PPF）、短时/长时可塑性转换（STP/LTP），并首次实现了情绪门控学习记忆（通过栅压调节遗忘速率）、光写入-电擦除操作及巴甫洛夫联想学习。此外，作者构建了简化人类视觉系统，通过RGB脉冲实现了多级色觉感知与记忆，并完成7×7像素神经形态成像，为开发全集成多谱段神经形态视觉芯片提供了新范式。
研究背景
神经形态视觉计算是克服机器视觉应用中算法瓶颈最有前途的技术解决方案。一体化神经形态传感器已经吸引了越来越多的关注，其核心在于开发集感知、处理与存储于一体的全集成传感器。然而，现有光电突触器件面临两大挑战：（1）多数器件仅在特定波长（如可见光）有效，而近红外（NIR）波段因光子能量低，光电转换效率急剧下降，难以实现稳定非易失存储；（2）传统异质结虽可通过阻挡一种载流子延长寿命，但载流子复合速率仍制约响应度与数据保持时间。本文展示了基于Ta2NiSe5/SnS2异质结的物理吸附辅助光电突触晶体管，其在宽带（375-1310 nm）中呈现可调突触功能。提出了一种物理吸附辅助持续光电导（PAPPC）效应的策略，有效地解决了近红外光信息的检测和存储问题。在这种策略下，器件的响应度和数据保留时间在375至1310 nm的宽带中得到了显著增强和延长。此外，本文开发了一个简化的人类视觉系统来模拟颜色认知感知和记忆功能。这种方法为创建先进的一体化神经形态传感器和开发神经形态计算视觉提供了一条途径。
研究内容
图S1 Ta2NiSe5/SnS2异质结的光学显微镜图像
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（285 nm）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20 μm、厚度20/80 nm的钛（Ti）/金（Au）电极，并在N2气氛下200 °C退火20 min ，以确保界面紧密堆叠。
本文中使用我司 “ E1-T 多功能二维材料转移实验平台 ” ，通过PDMS将Ta2NiSe5薄片作为异质结的底部材料转移到预清洁的Si/SiO2（285 nm）衬底上。
E1系列 多功能二维材料转移实验平台
欢迎通过文末联系方式与我们了解更多设备详情~
图1 Ta2NiSe5/SnS2器件的光电特性。a)在黑暗中和在具有不同功率的照明下的输出曲线（IDS-VDS）。入射光波长为532 nm，VG = 0 V。b)VDS =−3 V时Ta2NiSe5/SnS2器件的时间分辨光响应。入射光波长为532 nm，VG = 0 V。灰色部分表示施加到Ta2NiSe5/SnS2器件的光脉冲。c)在黑暗中和在具有不同功率的照明下的传递曲线（IDS-VG）。入射光的波长为532 nm，VDS =−1V。d)光照下的结带图。e)光照后的能带图。f)在375至1310 nm的激光和各种光强下，VDS =−3 V时的光电流。所有测试结果均来自四个平行测试，数据点和曲线是四个结果的平均值，误差条和误差带表示四个结果的标准差。
为了研究Ta2NiSe5/SnS2器件在恒定光照下的光电特性，在不同激光功率的532 nm激光下获得了源-漏I-V曲线，如图1（a）所示。在不同激光功率下，I-V曲线有明显的区别，表明有很强的光响应。图1（b）描绘了Ta2NiSe5/SnS2器件的光电流在光激发后没有立即下降到初始电流水平，而是在特定的持续时间内仍然保持恒定，这可以归因于PPC效应。此外，研究人员发现衰减过程可以通过施加多个光脉冲来调制，这为突触可塑性的不同形式提供了可能性。图1（c）对比了异质结与纯 Ta2NiSe5、纯 SnS2晶体管的转移特性，表明栅极电压主要影响异质结中SnS2沟道的电子密度，且光功率增加会使转移曲线左移。图1（d）、（e）为光照下及光照后的结能带图，解释了光生载流子不对称传输及物理吸附辅助增强 PPC的机制；图1（f） 展示了375至1310 nm 激光在不同光强下的光电流，其响应度和探测率在405 nm 和980 nm 处有峰值，且较长波长光的α值较低，与载流子损失相关。
图2 Ta2NiSe5器件中光调谐突触行为。a)整个生物视觉系统的示意图。b)由光脉冲触发的Ta2NiSe5/SnS2器件的EPSC。在375 ~ 1310 nm波长范围内，光脉冲的功率分别为0.15 μW、0.36 μW、0.26 μW、1.89 μW、5.66 μW、21.05 μW和1.19 mW。c)由光脉冲触发的EPSC对脉冲持续时间的依赖性。光脉冲的宽度和功率分别为200 ms和13.26 μW。误差条表示从Ta2NiSe5/SnS2器件的四次独立测试获得的标准偏差。d)光脉冲触发的EPSC对脉冲功率的依赖性。光脉冲的持续时间为200 ms。误差条表示从Ta2NiSe5/SnS2器件的四次独立测试获得的标准偏差。e)Ta2NiSe5/SnS2器件的EPSC由一对持续时间为200 ms的光脉冲触发，两个脉冲之间的间隔时间（△t）为2 s。在375 ~ 1310 nm波长范围内输出的光脉冲功率分别为0.15 μW、0.79 μW、1.73 μW、13.26 μW、6.19 μW、421 μW和1.19 mW。f) PPF指数（定义为A2/A1）对△t的依赖性。红色实线由指数函数拟合得到。g）从STP到LTP的转变对光脉冲数量的依赖性。光脉冲的持续时间和间隔时间分别为200和200 ms。h)由30个脉冲触发的Ta2NiSe5/SnS2器件的EPSC。在375 ~ 1310 nm波长范围内，光脉冲功率分别为0.15 μW、0.02 μW、0.51 μW、2.3 μW、43.04 μW、219 μW和857.77 μW。i)PSC增益对光脉冲数量的依赖性。误差条表示从四次独立测试获得的标准偏差。
本文中通过不同的激光提供照射条件：IR（785、980、1310和1550 nm）和RGB光（405、532和635 nm）和紫外光（375 nm）。通过我司 “ Metatest E2 光纤耦合光电测试探针台 ” 表征光电突触晶体管的时间响应和突触特性。
Metatest E2 光纤耦合光电测试探针台系列
欢迎通过文末联系方式与我们了解更多设备详情~
通过人类视觉系统的模型，当光进入眼睛时，光信号被转化为电信号，并通过传输神经元将预处理后的电信号传输到大脑皮层。当视网膜细胞接收到光脉冲信号时，信息以突触后电流（PSC）的指数衰减形式存储。受视网膜的启发，Ta2NiSe5/SnS2装置可以执行感光细胞的神经形态学功能，如图2（a）所示。图2（b）显示了在Ta2NiSe5/SnS2器件中观察到的典型EPSC响应。在光刺激后，Ta2NiSe5/SnS2器件对不同波长的光信号的响应具有不同的EPSC值和记忆时间。图 2（c）、（d） 表明 EPSC 峰值随脉冲持续时间和功率增加而增大；图 2（e）、（f） 展示成对脉冲易化（PPF）效应，PPF 指数随脉冲间隔时间增加呈指数衰减；图2（g）、（h）显示随光脉冲数量增加，EPSC 峰值和保留时间显著提升，实现从短时程可塑性（STP）到长时程可塑性（LTP）的转变；图2（i）呈现 EPSC 增益对光尖峰数量的依赖性，前期线性增加后饱和，体现器件在神经形态计算中的潜力。
图3 长期塑性的光电可调性。a) 30个光脉冲触发的兴奋性突触后电流（EPSC）对各种背栅电压的依赖性。光脉冲的偏置电压(VDS)、波长、持续时间和功率分别为-3V、635 nm、200 ms和13.26 μW。b)长时程增强（LTP）/长时程抑制（LTD）特性。图中展示了用于LTP和LTD的光脉冲和电压脉冲。Ta2NiSe5/SnS2器件的光脉冲条件为635 nm、功率13.26 μW、宽度200 ms 。c)EPSC增益(A30/A1) 对脉冲频率的依赖性。光脉冲的波长、持续时间和功率为635 nm、200 ms和13.26 μW。d)巴甫洛夫狗实验示意图以及联想学习的神经回路。e)和f)分别展示了一次和五次训练（E + L）下的经典巴甫洛夫条件反射。
Ta2NiSe5/SnS2器件在模拟情绪对学习的影响方面具有很大的潜力。图3（a）展示了在635 nm激光和各种栅极电压下由30个光脉冲触发的EPSC。当栅极电压从−10 V变化到5 V时，EPSC的最大值随栅极电压的增加而增加。图3（b）显示器件的长时程增强（LTP，光脉冲调控）和长时程抑制（LTD，电脉冲调控）特性，实现光写入 -电擦除功能；图3（c）表明 EPSC 增益（A30/A1）随光脉冲频率变化呈高通滤波特性，截止频率1.67 Hz，类似视网膜图像预处理；图3（d）为巴甫洛夫关联学习示意图，图3（e）、（f）则是模拟结果，一次训练后仅栅极电压脉冲（铃声）触发电流未达阈值，而五次训练后仅栅极电压脉冲多次触发电流仍超阈值，显示关联学习随训练次数增强，且近红外波段也可实现该功能。
图4 人类视觉系统行为的模拟。a)由多个光脉冲触发的“学习-遗忘-再学习”过程。b)、c) 635 nm波长应用场景下人类视觉系统光适应行为的模拟。d) Ta2NiSe5/SnS2器件在RGB光脉冲（635 nm、532 nm和405 nm）、光功率2至13 μW变化时的兴奋性突触后电流（EPSC）变化。RGB脉冲条件：脉冲宽度200 ms，间隔200 ms。e)从d）中提取的EPSC随RGB光脉冲数量的分布。f)从（d）中提取的30个RGB光脉冲后EPSC的衰减情况。g)我们使用图中所示的RGB光信息进行单点扫描成像。例如，“R-6”代表635 nm、功率为6 μW的红光脉冲。所有光脉冲的持续时间、间隔和数量分别为200 ms、200 ms和30。h)Ta2NiSe5/SnS2器件在不同脉冲和保留时间条件下测量的突触后电流（PSC）的二维等高线图。所有测量均在漏极电压为-3V、栅极电压为-5V的条件下进行。
图4（a-h）展示了Ta2NiSe5/SnS2器件对人类视觉系统行为的模拟结果：其中，图4（a）模拟了“学习-遗忘-再学习”过程，显示重新学习时仅需少量脉冲即可恢复记忆且稳定性增强，类似人类记忆特性；图4（b）、（c）模拟了635 nm 波长下的光适应行为，通过调节偏置电压应对不同光功率环境，类似人工瞳孔功能；图4（d-f）探究了RGB光（635、532、405 nm）刺激下的EPSC变化，显示器件能有效区分三色且无重叠，300个脉冲后衰减过程仍保持区分能力；图4（g）、（h）通过单点扫描成像实验，以不同功率RGB光脉冲模拟彩色信息，实现7×7像素成像，表明器件可随脉冲数量增强颜色识别能力，并能在30秒内准确记忆颜色信息，展现出模拟人类颜色认知感知和记忆功能的潜力。
本文展示了基于Ta2NiSe5/SnS2异质结的物理吸附辅助光电突触晶体管，该器件在375-1310 nm宽带范围内呈现可调突触功能。通过提出物理吸附辅助持久光电导（PAPPC）效应策略，有效解决了近红外光信息检测和存储问题，显著增强了器件在宽带范围内的响应度和数据保留时间。器件可通过调制光学信号和背栅信号实现多级非易失性光电存储器，模拟情绪控制的学习记忆、光写入-电擦除及关联学习等过程，并开发了简化人类视觉系统模拟颜色认知感知与记忆功能。该研究为先进一体化神经形态传感器的创建及神经形态计算视觉的发展提供了途径。
原文链接
Physisorption-assistant optoelectronic synaptic transistors based on Ta2NiSe5/SnS2 heterojunction from ultraviolet to near-infrared
https://doi.org/10.1038/s41377-025-01792-3
咨询电话：17766428931
迈塔光电售前及测试专员（微信同号）