有機光電突觸材料、器件及應用

郭延博， 劉 鋼

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，微納電子學系，類腦與智能仿生器件實驗室，上海 200240）

受限于存儲模塊和處理模塊的物理分離造成的數據傳輸瓶頸問題，傳統馮·諾依曼（von Neumann）架構計算系統在面臨大數據時代信息總量爆炸而帶來的巨大挑戰時難以滿足日益增長的存儲與計算需求[1]。而作為人腦中信息處理和記憶的基本單元，神經元和突觸能夠高度并行且高效能地實現圖像、視頻、聲音和文本等非結構化任務[2]。開發類腦神經形態器件或系統是實現真正意義上的人工智能（AI）技術的熱點策略[3,4]。此外，由于光信號具有速度快、帶寬高、功耗低和計算要求低等優勢，還可以通過神經形態器件模擬視覺重要神經行為。因此，利用新材料、新架構開發基于光電信息器件的神經形態視覺系統對實現神經形態類腦計算意義重大。

與無機材料相比，有機材料成本低、合成方法簡單、成膜性好且與柔性基板兼容[5,6]。通過分子設計與裁剪，結合其固有的輕質、柔性特點以及可調節的光電性能，有機電子材料在可穿戴器件與設備領域引起了人們的廣泛興趣。鑒于此，本文聚焦有機材料在光電突觸器件領域的應用和發展：在闡述有機光電材料的基本類別和功能的基礎上，討論有機光電探測器發展現狀，重點介紹光電神經形態器件的應用態勢，并展望今后光電神經形態器件的發展前景。

1 應用于光電器件中的有機材料

先進的光電器件包括各種光電探測器、光信息處理/存儲和太陽能電池等器件，可實現光輻射能量與信號之間的轉換或光電信息的獲取、傳輸、檢測和存儲等功能。近年來，有機、無機及復合光電材料與器件的研究和應用取得了巨大進展，引起了國內外光電學術界的高度重視。具有長期生物相容性、良好的機械柔韌性和分子多樣性等特征的有機半導體材料是構建仿生神經形態器件的理想載體。通過分子設計和合成方法進一步調節有機半導體材料的光電性能[7,8]，為光電突觸的應用描繪了令人期待的前景。本章主要介紹基于有機小分子、聚合物和有機-無機雜化材料的不同類型的光電器件的性能和應用。

1.1 有機小分子

有機小分子材料分子和電子結構清晰，在合成及純化方法的靈活度方面具有明顯的優勢。可溶性有機小分子結合了易于合成和低成本處理的優點，為柔性電子系統的商業化大面積制備提供了可能性，逐漸吸引了更多的研究關注。圖1 中列舉了常用于光電器件的代表性有機小分子材料的分子結構，這些有機小分子材料在器件中可扮演電荷傳輸層、電荷俘獲介質層和摻雜劑等諸多功能角色。這些有機小分子不僅為半導體化學結構和光電性能的有效調控提供了材料平臺，而且可以通過滴鑄、旋涂、噴墨打印等簡單加工技術實現器件的制備[9]。

圖1 用于光電器件的代表性有機小分子的化學結構式Fig. 1 Chemical structures of the typical small organic molecules used in optoelectronic devices

一般來說，光電探測器通常采用垂直光電二極管和橫向光電晶體管結構。光電二極管有效而簡單的器件結構使其具有較低驅動電壓和較短響應時間。但通常情況下光電二極管需搭配外部放大器，而光電晶體管本身具有放大電流作用，即具備足夠的電流增益。Yang 等[10]報道了具有Au/C8-BTBT/Au 結構的UV 光調制肖特基勢壘平面二極管（圖2（a））。其中，共軛小分子C8-BTBT 具有高空穴載流子遷移率、易于加工、出色的溶解性等特性[11]。如圖2（b）所示，該器件的I-U曲線顯示出了類似于二極管的整流特性，而光照情況下半導體/電介質界面處的光致俘獲電荷會不斷調節肖特基勢壘和器件輸運行為。當施加9 μW/cm2的光照時，該器件在?2 V 的工作電壓下表現出明暗電流比（Ilight/Idark）約為100 的光開關行為。移除光照后，器件電流表現出逐漸衰減的過程，表明了這種肖特基勢壘二極管具有良好的光電可調性。C8-BTBT 在紫外波段呈現強烈的吸收峰，進一步證實了其UV 光敏特性（圖2（c））[11]。

此外，利用入射光信號調制有機光電晶體管半導體溝道中的有效載流子也可以實現光電探測功能。光電晶體管具有良好的互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術兼容性，在結構上具有物理上相分離的柵極控制端，通過控制信號與輸出信號的解耦，可以更加便捷地實現器件光電特性的有效調控。圖2（d）展示了以C8-BTBT: PC61BM 有機雜化層作為半導體溝道的光電晶體管的光電流與柵壓和入射光功率的關系曲線[12]。其中，電荷俘獲效應對載流子傳輸的調控作用導致器件光電流隨著入射光功率和柵壓（Ug）的增加而增加。對于以DPPT-TT/TFP: PS（DPPT-TT：二酮吡咯并吡咯-噻吩并[3, 2-b]噻吩共聚物）為光敏溝道的晶體管來說，在400 nm 近紫外區表現出高光響應性（圖2（e））：當Ug= ?30 V 時，光響應度（R）達到1.0×104A/W 的最大值[13]；而不論是R還是探測率（D*），其數值都隨光功率呈線性變化（圖2（f））。在光波長585 nm、光功率0.5 μW/cm2的單色光照射下，R高達約6.7×106A/W，D*約為3.6×1013Jones。此外，由于垂直電場對激子分離效率的影響，R隨著Ug的增加而增加。這些結果均表明可以通過調節入射光的波長、光功率和柵壓來有效控制光電晶體管的光敏響應特性。

圖2 C8-BTBT 光電二極管的示意圖（a）[10]；黑暗和光照（9 μW/cm2）條件下光電二極管上測得的I-U 曲線（b）[10]；紫外可見吸收光譜（c）[11]；C8-BTBT: PC61BM 光電晶體管輸出電流隨柵壓（Ug）和光功率密度的變化圖（d）[12]；不同光波長照射下，DPPTTT/TFP: PS 光電晶體管光響應度與柵壓的關系圖（e）[13]；光響應度（R）和探測率（D*）與光功率密度（Pin）的相關函數（f）[12]Fig. 2 Schematic diagram of a photodiode based on C8-BTBT （a）[10]；I-U curve measured on the photodiode under dark and light（9 μW/cm2） conditions （b）[10]; UV-visible absorption spectrum （c）[11]; Evalution of the photocurrent of the C8-BTBT: PC61BM based phototransistor vs. gate voltage （Ug） and optical power density （d）[12]; The relationship between the photoresponsivity and gate voltage of the DPPT-TT/TFP: PS phototransistor under different wavelengths of the incident light （e）[13]; Variation of the photoresponsivity （R） and detectivity （D*） with the optical power intensity （f）[12]

1.2 有機聚合物

與小分子材料相比，有機聚合物具有更加出色的成膜能力和可實現高密度3D 多層堆疊結構的優勢[14]。其中，在聚合物發光二極管、聚合物場效應晶體管（EFT）和聚合物存儲器等有機光電信息器件中使用最廣泛的是含有單雙鍵交替結構的共軛聚合物材料。通過促進共軛聚合物的本體異質結（BHJ）共混膜中純聚合物域的形成，改善聚合物主鏈的共面性和聚合物結晶度，可以顯著增強載流子傳輸并抑制載流子復合，從而有效提高器件性能[15]。其中，聚合物給體（D）的烷基側鏈支配著BHJ 共混物原纖維微結構的形成和相分離，是決定共軛聚合物性能和光響應器件性能的關鍵因素[16]。Pang 等[17]利用3 種不同的受體（A）材料研究了基于一組無規三元共聚物PTAZ-TPD10-Cn（如圖3（a））的聚合物給體側鏈長度對光電器件性能的影響。研究表明，共混膜中D-A 間的可混溶性取決于聚合物D 的側鏈長度。Wang 等[18]以異靛藍單元和強缺電子分子奈二甲酰亞胺（NDI）/苝二酰亞胺（PDI）的A-A 型共軛聚合物（如圖3（b））為基礎，探索了結構單元和烷基鏈對聚合物結構的影響。所制備的全聚合物寬帶有機光電探測器響應度為0.12 A/W、探測率可達1.2×1012Jones。NDI和PDI 中的強吸電子基團可以有效降低聚合物的最低未占分子軌道（LUMO）能級，因而此類共聚物可代替富勒烯作為受體材料應用于有機太陽能電池和光電探測器中。此外，還可以利用光致變色分子在光照射下可在兩種狀態之間可逆轉換的特性修飾半導體/電介質或半導體/電極界面以制備光控晶體管[19]。Tian 等[20]以二酮吡咯并吡咯（DPP）基共軛D-A 四噻吩聚合物（PDAZO）為研究對象，通過將光致變色單元（偶氮苯）摻入到柔性側烷基鏈中，建立了一種設計光敏共軛聚合物和單組分光學可調晶體管的新策略（如圖3（c））。研究發現，該聚合物的偶極矩和構型隨偶氮苯基團的反式/順式光異構化而變化，從而影響相應的鏈內和鏈間的電荷傳輸。

圖3 PTAZ-TPD10-Cn 聚合物的化學結構（a）[17]；PIIG-PDI（EH）、PIIG-PDI（OD）和PIIG-NDI（OD）的化學結構（b）[18]；PDAZO的設計原理圖（c）[19]Fig. 3 Chemical structures of the PTAZ-TPD10-Cn polymers （a）[17]; Chemical structures of PIIG-PDI（EH）、PIIG-PDI（OD） and PIIGNDI（OD） （b）[18]; Illustration of the design rationale of PDAZO （c）[20]

光電憶阻器作為一種新興的光學開關和存儲器件，具有運行速度快、非易失性、低功耗和可實現高密度集成的優點[21]，有望于多態存儲[22]、加密存儲[23]和靈活的成像電路等領域得到應用。除了基于單一聚合物材料的光電憶阻器件以外，由聚合物-納米顆粒構成的有機-無機復合材料也已應用于光電憶阻器件中。Zhou等[24]將作為電荷俘獲中心的偶氮苯官能化金納米粒子（Azo-Au NPs）嵌入絕緣聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，作為活性層設計了Au/PMMA:Azo-Au NPs/ITO（ITO：氧化銦錫）兩端光電憶阻器（圖4（a））。圖4（b）顯示該憶阻器具有雙向阻變特性，正、負偏壓掃描都能使器件從高阻態（HRS）進入低阻態（LRS）。由于Au NPs 在光照作用下會發生聚集，導致電場分布更加集中，從而有利于電子轉移，因此UV 光照后憶阻器的置位電壓（USET）的分布相對更加集中均一（圖4（c））。Jaafar 等[25]基于由一維（1D）氧化鋅納米棒和偶氮苯聚合物組成的有機-無機復合光敏阻變材料設計了ITO/ZnO/PDRIA/Al（PDRIA：聚（分散紅1 丙烯酸酯）光電憶阻器（圖4（d））。光照誘導的偶氮苯基團異構化會導致聚合物成分發生膨脹或收縮，從而使ZnO 納米棒與Al 電極之間載流子的輸運距離和器件阻態發生變化（圖4（e））。器件在光照控制下具有良好可逆性與重復性的電阻開關特性（圖4（f）），為神經形態功能的模擬奠定了材料基礎。此外，量子點（QD）同樣可以作為電荷俘獲中心，在阻變器件中表現出優異的存儲性能。如圖4（g，h）所示，紫外光照能夠明顯調控由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和N 摻雜的碳量子點（NCQD）構成的柔性有機器件的電學特性[26]：隨著光照時間增長，器件高阻態阻值逐漸降低、低阻態阻值相對保持穩定。更重要的是，該柔性器件經過大角度且彎曲次數達104次的反復彎曲測試后仍具備出色的存儲性能，為未來植入式/可穿戴電子設備的設計提供了一種新的材料選擇。迄今為止，國內學者對共軛聚合物、聚合物-小分子混合物、聚合物-無機復合材料等材料體系的研究已經取得巨大進展，這為有機光電器件的設計工作提供了一條非常重要的研究途徑。盡管如此，有機聚合物基光電器件在大批量實用化應用上仍存在很多問題，如器件壽命、穩定性以及不清晰的工作機制等，如何制備出壽命長、穩定性好和光電轉換效率高的有機聚合物光電器件是目前該領域的研究重點。因此，應繼續探索有機聚合物材料化學改性、能級調節、能量傳遞等方式與光電器件的光電轉換效率的聯系和影響。

圖4 Au/PMMA:Azo-Au NPs/ITO 憶阻器的結構示意圖（a），典型I-U 曲線（b）以及黑暗條件和UV 照射30 min 后30 個器件的USET 分布（c）[24]；ITO/ZnO/PDR1A/Al 光電憶阻器的結構示意圖（d），圓偏振光和線偏振光照射20 min 前后的I-U 曲線（e）以及高低阻態阻值在圓偏振和線偏振光照射下的可逆轉變（f）[25]；Al/PVP-NCQD/ITO 存儲器的結構示意圖（g）以及不同UV 光照時間下高低阻態阻值的演化（h）[26]Fig. 4 Gragh of the Au/PMMA: Azo-Au NPs/ITO memristor structure （a）, typical I-U curves （b） and USET distribution tested under dark and UV irradiation conditions after 30 min （c）[24]; Schematic illustration of the ITO/ZnO/PDR1A/Al optical memristor device （d）, I-U curves tested before irradiation and after irradiation for 20 min with circularly polarized light and linearly polarized light （e） and reversible conversion of HRS and LRS under the repeated irradiation of circularly and linearly polarized light （f）[25]; Schematic diagram of the Al/PVP-NCQD/ITO memory device （g） and its HRS/LRS resistances evolution under different UV light time （h）[26]

1.3 有機-無機雜化材料

通常有機材料電學穩定性較差而無機材料機械柔性較差，兼顧器件電學性能和力學性能成了發展高性能柔性電子器件的難題。值得慶幸的是，有機-無機雜化材料可兼具有機材料的機械柔性、應變適應能力以及無機材料的電學穩定性和可靠性，為新型電子信息材料設計和器件構建提供了一種新的研究策略。本節重點介紹有機-無機雜化鈣鈦礦（OIHPs）和有機-金屬框架（MOFs）這兩種雜化材料在光電器件領域的優勢和應用。

1.3.1 OIHPs 最近，具有MAPbX3（MA = CH3NH3+; X = I?, Br?, Cl?）典型分子式的OIHPs（如圖5（a））因其出色的光吸收、較長的載流子擴散長度、雙極電荷傳輸、異常的物理缺陷和可調帶隙等獨特優勢而引起廣泛的研究興趣[27,28]。OIHPs 作為光吸收材料或半導體材料已應用于光電探測器[29]、太陽能電池[30]和發光二極管[31]等領域。

香港理工大學柴揚教授團隊[32]報道了非易失性混合鈣鈦礦光電存儲器件，如圖5（b）中所示。他們通過一步溶液法將OIHPs 薄膜沉積在摻雜氟的SnO2導電玻璃（FTO）襯底上，然后采用電子束蒸發將Au 電極沉積在OIHPs 層頂部制備三明治結構器件。在光照作用下，鈣鈦礦內部產生的光生空穴被俘獲，導致其費米能級向價帶移動并降低肖特基勢壘的高度。同時，Au 電極中的空穴也注入鈣鈦礦的空穴陷阱態中，進一步降低了肖特基勢壘（（圖5（g））。光照輔助可將器件的USET降低至0.1 V（圖5（c）），有助于降低憶阻器的能耗。此外，電信號和光信號的協調輸入使得鈣鈦礦阻變存儲器不僅可以執行數據存儲任務，還可以用于實現光學傳感和邏輯操作。

有機-無機鹵化物鈣鈦礦也常以量子點形式應用于光電器件中。Thomas 團隊[33]利用從石墨烯晶格直接生長有機-無機鹵化物鈣鈦礦量子點（PQDs）的策略發展有機-無機雜化材料（圖5（d）），所制備的石墨烯-PQDs（G-PQDs）超結構層結合了PQDs 的高電荷產生效率和石墨烯的高電荷傳輸優勢。同時，兩種材料之間的功函數失配也會導致在兩者界面處形成一個內在場以對準費米能級。在光照下，PQDs 吸收光子能量并產生電子-空穴對，這些電子-空穴對可通過內置電場在石墨烯/ PQDs 界面處有效解離。光生空穴從PQDs 傳輸到石墨烯，光生電子則保留在PQDs 上（圖5（h））。基于這種G-PQD 材料制備的超薄光電晶體管顯示了非凡的光檢測能力，在430 nm 波長光照下光響應度、探測率和外量子效率（EQE）分別高達1.4×108A/W、4.72×1015Jones 和4.08×1010%（圖5（e））。器件在光脈沖信號激勵下的響應（光電流上升80 %）時間約為0.45 s（圖5（f）），與文獻報道的數值相當[34]。此外，該團隊還利用異質成核方法在多壁碳納米管（MWCNT）上直接生長PQDs，從而進一步增加了光電器件的光敏響應特性[35]。該雜化PQDs-MWCNT 器件在低光強度下可顯著提高光響應和光子存儲能力。

圖5 有機-無機雜化鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3 的晶體結構（a）；Au/CH3NH3PbI3-xClx /FTO 憶阻器的結構示意圖（b）及其低壓光輔助開關行為（c）[32]；G-PQD 復合材料的上層結構示意圖（d）、光電晶體管的光譜響應度（e）以及歸一化光電流響應（f）[33]；Au/CH3NH3PbI3-xClx /FTO 憶阻器的微觀開關機制（g）[32]；光激發和光柵作用下G-PQD 上部結構的能級圖（h）[33]Fig. 5 Molecular formula of organic-inorganic hybrid perovskite CH3NH3PbI3 （a）; Schematic device structure of Au/CH3NH3PbI3-xClx /FTO memristor （b） and its photoassisted low-voltage switching behavior （c）[32]; Schematic illustration of the G-PQD superstructure （d）, its spectral responsivity of the phototransistor device （e）, normalized photocurrent response （f）[33]; Microscopic switching mechanism of Au/CH3NH3PbI3-xClx /FTO memristor （g）[32]; Energy band diagram of the G-PQD superstructure under photoexcitation and photogating operations （h）[33]

1.3.2 MOFs MOFs 是一類由金屬離子與有機配體通過配位鍵構建的具有3D 周期性結構的雜化多孔材料。憑借其超薄的分層結構，2D 的MOFs 具有獨特的光學特性、永久的孔隙率、有效的能量轉移和高機械強度等特點，易于集成到光電組件中，已經成為開發響應性光電材料和器件的優選材料[36]。

Bera 等[37]首次結合了MOFs 的優越光電性能和石墨烯的超高載流子遷移率，在可拉伸柔性襯底上設計了一種高寬帶且可穿戴的光電探測器（圖6（a））。由于金屬間化合物、金屬到配體以及配體到金屬的電荷轉移之間的輻射躍遷的疊加使該材料在可見光下具有強吸收[38]，因此在器件中可以觀察到從紫外到可見光區域的吸收光譜幾乎一致的強烈光電響應特性（圖6（b））。另一方面，MOFs 和波紋結構石墨烯的孔隙率可以幫助光收集層俘獲光子，使器件在低至16 pW 的光功率照明下依然呈現顯著的光電流（圖6（c））。在MOFs 框架中引入不同的材料也會改變其電子性能并促進其在可見光區域的吸收[39,40]。單層Fe3（THT）2（NH4）3（THT:2, 3, 6, 7, 10, 11-三亞苯基六硫醇）MOF 膜具有沿兩個方向延伸的平面六邊形幾何形狀和2D 的網絡結構（圖6（d））。通過使用高質量的In 金屬電極將該MOF 薄片黏結到絕緣玻璃基板上所制成的兩端結構光電探測器件（圖6（e） ）在紫外至近紅外波段（400～1 575 nm）的光照下均有器件電導的變化[41]。圖6（f）評估了不同溫度下Fe3（THT）2（NH4）3光電探測器在785 nm 亮/暗照明下的循環光電開關性能，曲線中可重現的開關行為表明了器件能夠在脈沖輻射下穩定工作。

圖6 基于Graphene-MOFs 復合材料的光電探測器示意圖（a），與激發波長相關的光響應和吸收光譜（b）以及不同光強的325 nm 光照下器件的光電流和電壓的關系曲線（c）[37]；Fe3（THT）2（NH4）3 2D MOF 薄膜的單層示意圖（d），兩端光電探測器裝置示意圖（e）以及785nm 光照下器件的溫度相關的響應曲線（f）[41]Fig. 6 Schematic diagram of the Graphene-MOF based photodetector （a）, excitation wavelength dependent photoresponsivity and absorption spectra （b） and photocurrent-voltage characteristics under 325 nm illumination with different optical power （c）[37]; Schematic illustration of a monolayer of Fe3（THT）2（NH4）3 2D MOF film （d）, its two-terminal photodetector （e） and temperature-dependent photoresponse as a function of time under pulsed illumination of 785 nm laser （f）[41]

2 有機光電器件在生物視覺系統的應用

為了構建具有人工智能和高效人機交互界面的機器，許多研究人員將注意力集中在突觸電子學上[42]。基于人工突觸的神經形態電子學作為一個新興的主題，融合了低功耗、高存儲效率和容錯能力，可以有效地模仿生物神經網絡解決諸如學習、多對象檢測分類和識別之類的復雜任務，從而構建高效信息感知-信號傳遞-信息處理的仿生感知系統。其中，光學人工突觸器件或系統可以在超越可見光波段的區域模擬人類視覺系統的基本功能，在人工視覺系統、視覺識別、機器視覺等智能仿生神經形態領域具有相當大的應用潛力。

2.1 光電突觸塑性行為

光電神經突觸器件從電學突觸器件發展而來，多輸入光信號的光電突觸器件不需要添加額外電極，極大地豐富了突觸可塑性的調節自由度，也融合了光信號高帶寬、低串擾、無延遲和低計算要求的優勢，推動了高性能和低功耗神經形態計算的發展。目前，基于有機材料的光電神經突觸器件主要包括兩端式光電憶阻器和三端式光電晶體管。這些具有類似于突觸權重更新的可調節電導率的器件或系統，能夠模擬包括短程/長程可塑性和尖峰時序依賴可塑性（STDP）等在內的基本和重要的突觸學習法則[43]。此外，基于突觸可塑性的光電突觸器件可實現圖像識別和存儲，從而直接模擬人類視覺神經行為，這對機器視覺、無人駕駛等領域具有深遠意義。

圖7（a）為人類視覺系統中最常見的光敏突觸示意圖。視覺系統中的感光器接收外部物體的反射光后，光敏突觸的活動相應地發生變化從而實現突觸可塑性[44]。如突觸晶體管在受到光脈沖刺激后溝道電導率發生變化可模擬興奮性后突觸電流（EPSC）行為（圖7（b））[11]；而光脈沖結束后，器件逐漸下降的溝道電流表現出典型的EPSC 衰減行為。此外，雙脈沖易化（PPF）也是一種典型的短程塑性增強（STP）形式，在解碼視覺或聽覺信號的時間信息方面起著重要作用[45]。圖7（c）模擬了與生物突觸中非常相似的典型PPF 行為。隨著脈沖間隔時間Δt的增加，PPF 指數（即（A2-A1）/A1×100%，A1，A2分別為第1 和第2 個光脈沖觸發的幅值）逐漸減小（圖7（d））。在心理學中，記憶行為根據保留時間可分為短程記憶（STM）和長程記憶（LTM）兩種形式[46]。其中，長程塑性增強（LTP）會導致突觸連接強度發生永久性改變，是鞏固記憶和形成長效記憶的關鍵因素。而學習效率和記憶水平通常取決于學習強度和記憶頻率，這等同于調節輸入光脈沖信號的光照強度（圖7（e））、持續時間（圖7（f））和頻率（圖7（g））來實現STP 到LTP 的轉變[47]。

尖峰時序依賴可塑性（STDP）是一種重要的突觸學習法則，其中突觸權重取決于突觸前和突觸后神經元尖峰電位的相對時序，在生物認知活動中起關鍵作用[48,49]。在經典STDP 中，前突觸刺激若先于后突觸刺激幾十毫秒發生會導致 LTP 特性，反之則會導致 LTD 特性。不同STDP 形式代表著不同尖峰電位時序的依賴特性。當脈沖間隔時間的絕對值|Δt|增加時，突觸連接的強度（PSC）減弱，得到典型的對稱赫布STDP 學習行為（圖7（h））[50]。通過改變光照射的時間長度可實現突觸連接強度的有效調節，得到光學可調的非對稱赫布STDP 學習行為（圖7（i））[25]。此外，利用電刺激和光刺激分別作為前突觸和后突觸神經元，突觸權重（ΔW）隨Δt的函數變化也可以得到非對稱的STDP 行為（圖7（j））[51]。通過前突觸和后突觸的脈沖順序進行編程來實現STDP，可以顯著促進神經形態器件或系統的刺激識別和時間序列學習。這不僅為集成神經網絡的實現提供了可能，也可以在很大程度上擴展神經形態系統的功能和復雜性。

圖7 人類視覺系統示意圖（a）[44]；單個光脈沖觸發的EPSC 行為（b）、成對光脈沖觸發的EPSC 行為（c）、PPF 指數隨光脈沖間隔時間（Δt）的變化曲線（d）[11]；光子突觸中光脈沖強度（e）、持續時間（f）和頻率（g）相關的STP 或LTP 特性[47]；全光刺激的對稱赫布STDP 學習行為（h）[50]；光學可調的非對稱赫布STDP 學習行為（i）[25]；光電協同刺激的非對稱赫布STDP 學習行為（j）[51]Fig. 7 Schematic diagram of the human visual system （a）[44]; EPSC behavior triggered by a single light pulse （b）, EPSC behavior triggered by a pair of light pulses （c） and PPF index as the function of light pulse interval （Δt） （d）[11]; Input light pulse intensity （e）, duration （f）and frequency （g） dependent formation of STP or LTP characteristics[47]; Symmetrical Hebbian STDP learning behavior stimulated by all-light pulses （h）[50]; Optically adjustable asymmetric Hebbian STDP learning rule （i）[25]; Asymmetric Hebbian STDP learning behavior stimulited by light and electric （j）[51]

2.2 人工視覺感知系統

目前，國內外學術界已經成功地通過智能設計策略在單個人工突觸器件上實現了各種突觸特性的模擬，建立人工神經形態集成系統則是未來神經形態工程更加實質性的一步。其中，作為人類獲取信息主要來源的視覺感知系統是仿生電子產品中的重要組成部分。視網膜通過突觸連接神經元層，將入射光的波長和強度信息轉換為神經沖動，并通過視神經將其傳輸給大腦形成視覺（圖8（a）），承擔著用于學習和記憶的大部分信息感知[52,53]。

迄今為止，利用有機光敏組件和突觸器件集成的人工視覺感知系統的研究越來越多，對視覺修復和人工智能產生了深遠影響[54]。Wang 等[55]設計的光觸發有機神經形態器件（LOND）在電子器件級別上模擬了視網膜功能。該人工視覺感知系統利用鐵電有機材料的電化學摻雜/去摻雜的STP/LTP 特性以及通過偶極開關的鐵電LTP 特性，將入射光信號轉換為易失性或非易失性突觸信號，并通過閾值屬性實現顏色識別的高級成像功能（圖8（b））。利用傳感器與存儲器件的集成也可以執行光信息的傳感和存儲，從而實現視覺記憶功能的仿生[50,56,57]。Wang 等[57]將智能存儲元件集成到傳感系統中，在單一器件上同時兼容了寬帶響應和顏色識別功能（圖8（c））。此外，Lee 等[42]利用有機光電突觸和神經肌肉系統集成來模擬光電運動神經系統。光信號觸發自供電光電探測器產生電壓脈沖來激發彈性可拉伸的有機納米線突觸晶體管，所產生的信息性突觸輸出則用于誘發與生物肌肉纖維收縮方式相同的人造肌肉致動器的收縮（圖8（d））。這些光電神經形態集成系統為開發受生物啟發的軟電子器件、受神經學啟發的機器人技術和仿生假體提供了新的研究途徑。

圖8 視網膜多層結構的示意圖和LOND 的3D 結構示意圖（a）；不同光波長下人工視覺系統的顏色感知功能及其特征保留時間（b）[55]；柔性聚酰亞胺（PI）基板上光突觸器件陣列的圖像識別和記憶能力（c）[57]；有機光電突觸（光電探測器和人工突觸）和神經肌肉電子系統（人工突觸、跨阻電路和人工肌肉致動器）（d）[42]Fig. 8 Schematic diagrams of a retina’s multilayer structure and the 3D structure of LOND （a）; The color-perception functions and characteristic retention time of the artificial-vision system under different light wavelengths （b）[55]; Image recognition and memory capacity of the photosynaptic device array on a flexible PI substrate （c）[57]; Configuration of organic optoelectronic synapse（photodetector and artificial synapse） and neuromuscular electronic system （artificial synapse, transimpedance circuit, and artificial muscle actuator） （d）[42]

2.3 視覺神經形態計算

神經形態計算的深入研究能夠大幅度提升數據處理能力，將極大地影響機器學習和人工智能技術的未來發展以及在無人駕駛、智能安居、機器人、安防監控等領域的應用。神經網絡模型是神經形態計算的關鍵問題之一，基于馮·諾依曼計算的人工神經網絡（ANN）學習算法已迅速發展并成為領先的技術[58,59]。生物啟發式的突觸器件能夠同時處理和存儲信息，可作為構建復雜人工神經網絡的硬件載體。MNIST 是一個大型數據庫的手寫數字圖書數據集，通常用于訓練各種圖像處理系統。該數據集的收集目的是希望通過算法，實現對手寫數字的識別。Lyu 等[47]設計了單層感知器（SLP），利用光電突觸器件的電導值為突觸權重構建了有監督學習框架并進行了系統級MNIST 模式識別的仿真。如圖9（a）所示，該網絡由輸入神經元和輸出神經元經全連接構成。每個輸入神經元接受輸入圖像的一個像素并生成輸入矢量，通過突觸權重矩陣反饋給每個輸入神經元，利用變量激活Sigmoid 函數轉換為輸出向量。然后，利用輸入數字的輸出值和標簽值的差異，經過充分的反向傳播算法更新SLP 網絡中的突觸權重（圖9（b）），并最終通過數據庫的圖像訓練和檢測獲得手寫字母圖像的識別率。經過反復學習，可獲得逐漸清晰的圖像并可達到約73%的識別準確率（圖9（c～f））。Qian 等[60,61]利用SLP 網絡評估有機異質結構光電突觸器件的系統級模式識別能力，研究發現，連續輸入的光脈沖所形成LTP 特性曲線呈線性分布，并且器件具有穩定的電導態。采用具有LTP 特性的單向更新方法，基于這種SLP 網絡的MNIST 數字模式最大識別率約為78%，表明有機光電突觸器件在生物啟發性神經形態計算方面具有廣闊的應用前景。

圖9 系統級MNIST 模式識別的仿真：SLP 網絡的原理圖由785 個輸入神經元（即1 個偏置神經元和28×28 個神經元）和10 個輸出神經元（從0 到9）組成，并通過785×10 個突觸權重進行全連接（a）；光/電脈沖序列下突觸器件的200 個權重狀態的連續更新（b）；訓練階段中“A”的圖像（c）和識別率（d）；訓練階段中“I”的圖像（e）和識別率（f）[47]Fig. 9 System level simulation of MNIST pattern recognition: Schematics of the SLP network consisting of 785 input neurons （i.e., 1 bias neuron and 28 × 28 neurons） and 10 output neurons （from 0 to 9）, with full connection through 785 × 10 synaptic weights （a）; 200 weight states of synaptic device obtained under applied photonic/electric pulse （b）; Mapping images （c） and recognition rate （d） of “A”with the evolution of training phases; Mapping images （e） and recognition rate （f） of “I” with the evolution of training phases[47]

3 結論、挑戰和前景

近年來，新型半導體材料的研究發展迅速，尤其是有機半導體材料和有機-無機雜化材料，因其易制備、低成本等優點而備受關注。將新型半導體材料應用在光電探測器上，可拓展光電探測器的應用領域并有效降低其制備成本，是目前光電突觸器件領域的研究熱點。然而，盡管有機材料和有機-無機雜化材料豐富的光電和機械特性在光電突觸器件的應用中表現出了巨大的優勢，但有機材料的可靠性問題，以及如何兼顧電學和機械穩定性是當前急需解決的難題。另外，未來研究的重點也應關注有機材料吸收光譜窄和壽命短的問題，著力尋找可彌補的材料形態設計和器件結構優化方案。

在實際應用中，人工神經形態系統復雜的設備集成問題也是急需解決的難題之一。目前的仿生神經網絡研究中仍存在傳感器與運算器之間的數據傳輸瓶頸，尚未真正實現感存算一體的人工智能感知器件。可考慮將光電探測器與神經網絡運算器合二為一，使器件兼具光電信號轉換、網絡權重存儲和神經網絡運算功能。在不久的將來，高效靈活的光電神經形態器件有望模擬更為高級的神經功能，在更加復雜的數據感知處理場景中得以應用。