研究背景

在人腦中有~10¹¹個神經(jīng)元通過~10¹⁵個神經(jīng)突觸交錯相連，信息可以十分高效地實(shí)現(xiàn)同時處理與存儲。受到人腦的啟發(fā)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)系統(tǒng)因其能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模并行信息處理、高效的能量利用、靈活的自適應(yīng)和加速事件驅(qū)動計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來得到了迅猛地發(fā)展。然而，目前大部分人工神經(jīng)突觸器件只具有純電調(diào)制，導(dǎo)致其面臨許多重大挑戰(zhàn)，例如神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和數(shù)據(jù)采集的隔離，冗余的硬件以及無法模擬生物有機(jī)體的復(fù)雜活動等。因此，利用光波或光子來實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)制，高效的光電調(diào)制的集成對于神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用至關(guān)重要，如人工眼和監(jiān)督視覺，并且可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的突觸行為，包括異元突觸可塑性和突觸適應(yīng)性等。

另一方面，二維的MoSSe由于其 Janus結(jié)構(gòu)打破了MoS₂、WSe₂等傳統(tǒng)過渡金屬硫化物（TMDCs）的面外結(jié)構(gòu)對稱性，從而具有更優(yōu)越的電子能帶結(jié)構(gòu)，并且具有高效的光吸收利用率、電荷分離率和載流子遷移率。零維的黑磷量子點(diǎn)（BPQD）由于其較好的光電性能、量子限制效應(yīng)、可調(diào)的光吸收和高量子效率的熒光，在與二維材料的混合結(jié)構(gòu)組合中通常表現(xiàn)出卓越的性能。

近日，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院陳琳教授團(tuán)隊(duì)利用二維Janus結(jié)構(gòu)的MoSSe和零維的黑磷量子點(diǎn)（BPQD）制備了具有光電協(xié)同調(diào)制功能的可穿戴類人腦異元神經(jīng)形態(tài)器件，實(shí)現(xiàn)亞非焦的功耗和納秒級別的響應(yīng)速度，并通過光電雙調(diào)制成功模擬了巴浦洛夫狗實(shí)驗(yàn)，為基于低維材料的高效的多端調(diào)制的可穿戴式神經(jīng)計(jì)算器件的應(yīng)用開辟了新的道路。相關(guān)成果以《Energy-efficient Flexible Photoelectric Device with 2D/0D Hybrid Structure for Bio-inspired Artificial Heterosynapse Application》為題發(fā)表在期刊Nano Energy (IF:16.602) 上，微電子學(xué)院博士生孟佳琳為第一作者。

本工作設(shè)計(jì)了一種基于柔性二維MoSSe和零維BPQD的異元突觸，成功模擬了生物體內(nèi)的長時可塑性，將長時程增強(qiáng)（LTP）和長時程抑制（LTD）過程中的能耗降低至為0.58 fJ/脈沖和0.86 fJ/脈沖，為高效的神經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)提供了一條比人腦更出色的處理信息的途徑。通過加入光調(diào)制，使得器件首次將光電雙調(diào)制的巴甫洛夫狗實(shí)驗(yàn)與學(xué)習(xí)-遺忘-再學(xué)習(xí)規(guī)則相結(jié)合，通過人工異突觸器件進(jìn)行驗(yàn)證，包括訓(xùn)練、獲得、遺忘和再獲得。這為多端輸入的人工突觸在更復(fù)雜的類腦計(jì)算系統(tǒng)中的應(yīng)用開辟了一條新途徑。

圖1. 人工異元神經(jīng)突觸電子器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. 器件在電調(diào)制下的突觸可塑性性能

圖3.  人工異元神經(jīng)突觸器件在光電協(xié)同調(diào)制下的性能

圖4. 可穿戴神經(jīng)突觸器件的柔性測試

圖5.  經(jīng)典條件反射巴甫洛夫狗實(shí)驗(yàn)的模擬