香港理工大学柴扬等：用于视觉-嗅觉跨模态感知的MXene/紫磷范德华异质结光电突触

研究背景

人类的感知和记忆过程是跨模态的，即不同感官输入的信息会以协同或对抗的方式相互作用，从而增强感知环境或记忆的能力。受此启发，人们已经探索了基于仿生传感器和神经网络的神经形态传感和计算系统来感知和处理各种感官信息及其跨模态整合。神经科学和心理学研究证明，人脑存在视觉和嗅觉之间的跨模态感知，但器件层面的相关研究还未曾报道。因此，探索具有视觉-嗅觉跨模态感知的光电突触对于模拟多感官相互作用的神经形态视觉是十分必要的，而新兴二维半导体紫磷(VP)由于其独特的电学特性和电子结构成为实现前述目标的优良选择。

Optoelectronic Synapses Based on MXene/Violet Phosphorus van der Waals Heterojunctions for VisualOlfactory Crossmodal Perception

Hailong Ma, Huajing Fang*, Xinxing Xie, Yanming Liu, He Tian*, Yang Chai*

Nano-Micro Letters (2024)16: 104

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01330-7

本文亮点

1. MXene/VP范德华异质结显着增强了紫磷(VP)的光电响应并获得了VP最高光响应度。

2. 展示了首个基于VP的具有气氛敏感突触行为的光电突触。

3. 基于MXene/VP光电突触探索了视觉-嗅觉跨模态感知功能，模拟出具有多感官交互的神经形态视觉。

内容简介

不同感官的跨模态交互是人脑学习和记忆的重要基础，在器件层面对此进行模拟以发展神经形态跨模态感知是非常必要的，但相关研究却很少报道。本研究中，香港理工大学柴扬等展示了一个基于MXene/紫磷(VP)范德华异质结的视觉-嗅觉跨模态感知的光电突触。由于导电MXene有效促进了光生载流子的分离和输运，VP的光响应度显著提高了7个数量级，达到7.7A·W⁻1。在紫外线激发下，该光电突触以极低的功耗展示了兴奋性突触后电流(EPSC)、成对脉冲易化(PPF)、短期/长期可塑性(STP/LTP)和“学习经验”行为等多种突触功能。此外，所设计的光电突触在不同的气体环境中表现出不同的突触行为，使其能够模拟视觉和嗅觉信息的相互作用。本工作证明了VP在光电子领域的巨大潜力，并为虚拟现实和神经机器人等应用提供了一个很有前景的平台。

图文导读

I 多尺度结构设计与表征

图1展示了聚焦于器件功能的多尺度设计路线示意图。图1a为器件结构示意图，其中由大量的MXene/VP异质结构组成的混合薄膜被抽滤到带有金电极的滤纸基底上。图1f为其对应的光学显微镜形貌。在微观尺度上，MXene/VP异质结网络中复杂的载流子动力学过程(图1b)导致了持久光电导(PPC)效应，使该器件能够作为光电突触。图1g为异质结薄膜的SEM图像，MXene和VP纳米片相互连接或重叠，形成了一个异质结网络。在纳米尺度上，相邻的MXene和VP纳米片之间形成的具有内建电场的局部范德华异质结(图1c)，促进了VP中光生载流子的分离与传输。改善了其光电响应。同时，气体分子很容易吸附在具有大比表面积的二维材料表面，通过与纳米片的电荷转移和对异质结势垒的影响改变器件的光电响应。图1h展示了异质结的TEM图像，可以清楚地观察到图1c中所设想的MXene/VP异质结。而在原子尺度上，P原子具有孤对电子的独特结构(图1d)使其对气体吸附具有较高的反应活性，从而促进了嗅觉感知。

图1. (a)器件结构示意图；(b)MXene/VP异质结网络中光生载流子的分离、跳跃输运、捕获和复合等复杂载流子动力学过程示意图；(c)MXene/VP范德华异质结示意图；(d)VP的晶体结构和P元素孤对电子结构示意图；(e)视觉-嗅觉跨模态感知的光电突触输出特性；(f)器件光学显微镜照片；(g) MXene/VP异质结薄膜的SEM形貌；(h)单个MXene/VP异质结的TEM形貌。

II 能带结构与载流子转移分析

采用紫外光电子能谱(UPS)、开尔文探针力显微镜(KPFM)和稳态光致发光谱(PL)对MXene/VP异质结的能带结构和载流子转移过程进行了深入分析。由图2a和2b中UPS测试结果可绘制出图2c所示的能带结构示意图。MXene和VP之间肖特基结的内建电场促进了VP中光生载流子的分离与运输。由KPFM测试结果(图2e)可看出MXene表面电势显著低于VP，表明MXene的功函数大于VP，并且从VP到MXene存在一个内建电场，与UPS分析一致。纯VP由于其强辐射复合表现出很高的PL强度，但当VP与MXene形成异质结时，其发光明显被猝灭，表明VP中电子空穴对的复合受到抑制(图2f)。

图2. (a) VP和(b) MXene的UPS谱；(c) MXene和VP形成异质结前后的能带结构示意图；(d) MXene/VP异质结的原子力显微镜(AFM)图；(e) 与图(d)对应的KPFM图；(f) 纯VP和MXene/VP复合薄膜在532nm激光激发下的PL谱。

III 光电响应性能

图3a表明VP具有紫外-可见宽光谱吸收，禁带宽度为2.3eV。I-V曲线证实MXene/VP异质结器件具有明显的光电响应(图3b)。其最大光响应度达到7.7A·W⁻1(图3c)，比纯VP的0.36 μA·W⁻1提高了7个数量级，D*和EQE分别为6.73 × 101⁰ Jones和2.67 × 103%(图3d)。该器件表现出良好稳定的光开关特性(图3e)，上升时间为3.4s，而下降时间较长，表现出明显的PPC效应(图3f)，满足光电突触应用需求。

图3. (a) VP纳米片的光吸收谱和VP的禁带宽度；(b) MXene/VP异质结器件在不同功率360nm紫外激光激发下的I-V曲线；(c) 不同光功率密度下的光电流和响应度；(d) 不同光功率密度下的比探测率(D*)和外量子效率(EQE)；(e) 器件的光开关曲线；(f) 器件的上升和下降时间。

IV 光电突触特性

在MXene/VP光电突触中，紫外光脉冲被认为是突触前刺激，沟道电流作为突触权重。一个所施加的前突触尖峰(光脉冲)可以在1 mV的小偏压下在器件沟道中触发EPSC，如图4b所示。连续两个脉冲刺激下，EPSC峰值将连续增加，其比值(A₂/A₁)被称为PPF(图4c)，与生物系统中视觉信号的瞬时识别和解码密切相关。当脉冲间隔Δt从0.1s增加到10s时，PPF从135%下降到112%(图4d)。Δt与PPF拟合关系符合双指数函数，拟合所得弛豫时间分别为1.19s和18.73s，与生物突触在同一数量级。图4e和4f表明随着光脉冲强度和宽度的增加，EPSC的振幅和保留时间均相应增加，这与生物突触中从STP向LTP的转变类似。

图4. (a) 生物神经元和突触示意图；(b) 单个紫外光脉冲激发下的EPSC曲线；(c) 间隔时间为Δt的一对光脉冲激发下的EPSC曲线；(d) 不同Δt时的PPF指数；随着光脉冲(e)强度和(f)宽度增加，器件从STP到LTP的转变。

光脉冲数量的增加也会导致STP向LTP的过渡(图5a)，这与频繁的刺激可以增加生物突触的突触权重的事实相似。基于此，该器件展示了良好的“经验学习”行为(图5b)。在施加10个光脉冲刺激并经衰减后，只需4个脉冲便可达到相同的EPSC值，且在经相同衰减时间后保留了更高的记忆值，这与人脑重新学习被遗忘信息的所需时间更少，而且学习后记忆会增强的行为相似。外加偏压为1 mV，脉冲持续时间为0.1 s时，该器件的最低能耗仅为14.7 pJ，低于多数报道的二维材料光电突触。以“XJTU”字母图案作为输入信号研究了MXene/VP光电突触的图像学习和记忆特性(图5d)。随着学习次数(脉冲数目)的增加，图像逐渐清晰；随着衰减时间增加，图像逐渐被遗忘，清晰度下降，该过程可以借助描述人脑遗忘过程的艾宾浩斯遗忘曲线很好地拟合，证明了MXene/VP光电突触良好的类脑学习和记忆行为。

图5. (a) 随着光脉冲数目增加，STP到LTP的转变；(b) MXene/VP光电突触的“经验学习”行为；(c) 器件能耗；(d) 器件对“XJTU”字母图案的学习和记忆特性，插图为所拟合的艾宾浩斯遗忘曲线。

V 视觉-嗅觉跨模态感知

图6a展示了人类感知系统中视觉和嗅觉之间的跨模态交互过程。在视觉信息输入过程中，特定气味的刺激可导致视觉感知的增强或抑制。由图6b可以看出相同的视觉信息刺激下，该器件在不同气味环境中的EPSC振幅和衰减时间是不同的，这类似于人类的视觉-嗅觉跨模态感知过程。其机理归因于MXene/VP异质结薄膜对各种气体的不同光电-气体传感过程。为了定量探索不同气体环境中视觉感知的差异，在不同相对湿度环境下对光电响应进行了测试，其中不同浓度的水分子被视为不同的气味水平。随着相对湿度的增加，ΔEPSC增加，但衰减却变短(图6c)，这是由于水分子解离产生的H⁺和OH⁻与电子和空穴结合，加速了被捕获的光生载流子的消失过程。图6d和e绘制了字母“X”图案在不同RH环境中的识别和遗忘过程。可以看出，RH越高(即气味水平越高)，EPSC增加得越快，但衰减也越快。这对应于视觉信息在高气味水平的环境中被感知得更强烈，但随着视觉刺激被去除后，也会被更快地遗忘。这种现象与比约克记忆理论中讨论的人类大脑的记忆行为相似——记忆的提取强度与存储强度呈负相关。这种复杂的记忆行为在光电突触中首次被报道，展示了MXene/VP异质结在跨模态视觉传感器中的广阔应用前景。

图6. (a) 人类感知系统中视觉-嗅觉跨模态感知过程示意图；(b)不同气体环境中10个光脉冲激发下的ΔEPSC；(c) 不同相对湿度(RH)环境中10个光脉冲激发下的ΔEPSC；不同RH环境中对字母“X”图案的(d)识别和(e)遗忘过程。

VI 结论

本研究展示了一种基于MXene/VP范德华异质结的跨模态感知光电突触，其具有远优于纯VP的光响应度，达到7.7A·W⁻1。该光电突触不仅表现出EPSC、PPF、STP/LTP和经验学习等多种突触功能，而且在不同的气体环境中具有不同的光电响应行为，使其能够模拟人类视觉-嗅觉跨模态感知过程。这项工作不仅展示了VP在神经形态光电器件中的应用前景，也为跨模态感知光电突触的设计开发提供了新的思路。

作者简介

方华靖
本文通讯作者

西安交通大学副教授

▍主要研究领域
光电功能材料与器件。

▍个人简介：

西安交通大学材料学院长聘副教授、博士生导师。2012年毕业于北京交通大学材料化学系，获学士学位。2017年毕业于清华大学化学系，博士论文入选施普林格《Springer Theses》系列，同年获得“博新计划”资助。主要研究方向为光电功能材料与器件，发表SCI论文40余篇，授权发明专利10余项。

▍Email：fanghj@xjtu.edu.cn

田禾
本文通讯作者

清华大学长聘副教授

▍主要研究领域
基于二维材料(石墨烯、二硫化钼、黑磷等)的新型微纳电子器件。

▍个人简介：

清华大学集成电路学院长聘副教授，集成纳电子所副所长，国家优秀青年基金获得者，IAAM Fellow。近年来主要研究领域包括基于二维材料(石墨烯、二硫化钼、黑磷等)的新型微纳电子器件：晶体管、存储器、传感器/执行器等。在Nature、Nature Machine Intelligence、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、 Nano Letters、ACS Nano、IEEE TED、IEEE EDL等期刊发表SCI论文200余篇，微电子器件领域顶级会议IEDM 10篇，论文总他引超过8000次，h因子54。主持JKW重点项目、科技部2030重大项目青年科学家项目、国家自然基金优秀青年基金及面上项目、北京市自然基金项目等，获中国电子学会自然科学一等奖，教育部霍英东青年教师基金，入选中国科协青年托举工程等。

▍Email：tianhe88@tsinghua.edu.cn

柴扬
本文通讯作者

香港理工大学教授

▍主要研究领域
新型微电子器件。

▍个人简介：

香港理工大学应用物理系教授，香港理工大学理学院副院长，香港物理学会副主席，香港青年科学院院士，IEEE Distinguished Lecturer。获得过香港研究资助局杰出青年学者奖，香港理工大学校长特设杰出成就奖，半导体科学技术早期职业奖，纳米研究青年科学家奖等。担任过IEEE电子器件学会纳米技术主席，IEEE电子器件学会香港分会主席，IEDM 技术委员会委员。发表学术文章超过150篇，包括Nature，Nature Nanotechnology, Nature Electronics, IEEE IEDM等。

▍Email：ychai@polyu.edu.hk

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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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，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP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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