【人物与科研】天津大学胡文平教授、耿德超教授/新加坡国立大学陈伟教授AFM综述：基于有机场效应晶体管的光子突触的最新进展
导语
基于光驱动的人工突触（光子突触）的神经形态计算系统由于具有高带宽、超快信号传输、低能耗和无线通信等优点，被认为有望解决冯·诺伊曼瓶颈，成为现代计算体系的中流砥柱。有机场效应晶体管（OFETs）具有制备简单、易于集成和结构多样等突出的优点。OFETs过去作为研究材料结构及其物理性质的强大平台，如今也为人工光子突触的研究提供了非常重要的基础，它不仅能够满足简单的模拟突触的需求，甚至可以实现更为复杂的双调制、模拟视觉系统等功能。基于此，天津大学-新加坡国立大学福州联合学院胡文平教授、陈伟教授，天津大学耿德超教授及其博士研究生张晴等人对基于OFETs器件的人工光子突触领域进行综述，分别从功能材料、器件结构、创新应用三个角度阐述了该领域当前的研究现状，并对这个领域的机遇和挑战提出了展望（Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.202106151）。
胡文平教授课题组简介
课题组深入研究分子材料的光电性质等，取得了多项有重要意义的研究成果。分子材料的凝聚态结构决定着其性能，最终影响着材料在光电器件中的应用。如何正确评价材料、揭示其本征性能，是优化材料结构、指导进一步合成的关键，也是获取高性能分子材料的重要途径。课题组在该领域开展了开创性的研究，取得了一批突出的创新性研究成果，是该领域国际上有影响的团队之一。
胡文平教授简介
胡文平教授，天津大学副校长，博士生导师，天津大学-新加坡国立大学福州联合学院联合管理委员会主任。1993年毕业于湖南大学化学化工系，1996年在中国科学院金属研究所获得硕士学位。1999年在中国科学院化学研究所获得博士学位。同年，在日本学术振兴会（JSPS）的资助下，赴日本大阪大学太阳能化学研究中心工作；2001年，在德国洪堡基金的资助下赴德国斯图加特大学第一物理研究所工作。2003年4月加入日本电话电讯株式会社（NTT）。主要从事有机高分子光电功能材料的研究，在新型有机高分子光电功能材料的设计合成、凝聚态结构与性能的关系、光电器件的应用等方面开展了系统研究。发表SCI论文500余篇（IF>10.0的190篇），包括Nature（1篇）、Nature Chem.（1篇）、Nature Commun.（7篇）、Adv. Mater.（89篇）、J. Am. Chem. Soc.（17篇）、Angew. Chem. Int.（52篇），被SCI引用约28,000次（H因子=82）。
陈伟教授简介
陈伟教授，新加坡国立大学化学系和物理系正教授，兼任天津大学-新加坡国立大学福州联合学院新方主任。课题组目前主要关注于低维分子量子结构/二维材料的界面问题及其在二维材料光电功能器件和有机光电功能器件等方面的应用、环境和能源相关的表界面纳米催化。入选2018、2019科睿唯安高被引科学家。于2009年获得新加坡物理协会纳米技术奖，2012年新加坡总统奖（青年科学家奖），2016年新加坡国立大学院长讲席教授，2020年新加坡化学会Mitsui Chemicals-SNIC Industry Award。在J. Am. Chem. Soc.，Nano Letters， Advanced Materials， Small， ACS Nano，Appl. Phys. Lett.， Phys. Rev. B.等国际权威期刊已发表近百篇SCI论文，总引用次数超过1400次，H-Index: 23，作过超过30次国际会议的邀请报告以及大会报告，已主持5个国际会议，主持项目经费总额上千万新币。
耿德超教授简介
耿德超教授，2015年在中科院化学研究所取得博士学位，师从刘云圻院士和于贵研究员，随后相继在新加坡国立大学Loh Kain Ping教授和新加坡科技大学Yang Hui Ying教授课题组开展博士后研究，于2019年9月加入天津大学理学院分子光电科学重点实验室（学术带头人：胡文平教授）。已在国内外著名学术期刊发表论文60余篇，其中第一作者（含共同第一）及通讯作者论文20篇，包括Proc. Natl. Acad. Sci.（1篇）、J. Am. Chem. Soc.（1篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（1篇）、Adv. Mater.（7篇）、Adv. Funct. Mater.（2篇） 等，单篇最高引用达360次，4篇论文入选ESI高被引论文。论文总引用3000余次，h因子27，作为主要完成人（6/7）获2017年度北京市科学技术一等奖，另获2016年度中国科学院百篇优秀博士学位论文，2015年度中国科学院院长特别奖（全院共50名）及2014年度唐敖庆化学奖学金。同时受邀Adv. Mater.及Chem. Mater.等期刊审稿人，担任天津大学-Wiley合办期刊SmartMat青年学术编辑。
前沿科研成果
基于有机场效应晶体管的人工光子突触
基于冯·诺依曼结构的逻辑计算无法满足物联网、边缘计算等需求，其存储器与处理器相分离的架构不仅增加了处理信息的时间，也造成了巨大的能耗。相比之下，人脑神经系统具有大规模并行、高效高速、可以处理非结构问题等优点，因此人们越来越关注神经形态计算的研究。在生物神经系统中，突触在其前后神经元之间起着信号传递的重要作用。因此，利用电子器件模拟突触的功能是实现神经形态计算的基础。
相比于电驱动的人工突触，光子突触展现出了带宽高、抗干扰能力强、信号传输速度快、能耗低等优点。另外，光子突触能够实现非接触的写入策略，有助于无线通信的发展。在众多候选材料当中，有机材料具有本征柔性、低成本、延展性、性能改性、生物相容性、可溶液加工和低能耗等特点，是制备大面积柔性集成光子突触的理想材料之一。而场效应晶体管的三端结构相比于二极管可以同时实现学习和传输的功能。因此，基于有机场效应晶体管（OFETs）的人工光子突触有望为神经形态计算的发展开辟新的道路(图1，Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.202106151)。人工光子突触的具体工作机制、加工方法等主要取决于材料和器件构型。因此，该综述对基于OFETs器件的人工光子突触材料的分子设计及人工光子突触的器件结构进行了总结。此外，本文还对基于OFETs器件的人工光子突触的创新应用进行了综述，站在一定高度上总结概括了这一领域的前沿研究进展，提出了一些前瞻性的研究方向，期望对该领域的研究者们有所帮助。
图1.生物神经系统与人工光子突触工作机制的对比。（左）生物神经系统：信号借助神经递质从突触前端传递到突触后端。（右）基于OFETs的人工光子突触：光刺激作为输入信号，而源漏电流作为输出信号。
（来源：Adv. Funct. Mater.）
光子突触的激发波长对于器件的使用范围至关重要，因此作者根据材料的激发波长，对用于光子突触的功能材料进行了总结（图2）。在这些分子中，有些分子被直接用作通道材料，它们同时具有电荷的分离和传输功能（例如C8-BTBT分子）。其中一些被用于形成异质结，唯有二者结合才能实现激子的产生和分离（例如Cu-Pc分子和p-6P分子）。而另一些则在光子突触系统当中用作光电探测器，将光信号转化为电信号（例如VOPc分子）。
图2.目前应用在OFETs基光子突触中的有机材料总结
（来源：Adv. Funct. Mater.）
基于OFETs器件的人工光子突触的器件构型很大程度上依赖于OFETs的器件构型，但是又与OFETs有所不同的是，光子突触要求实现非易失性存储，进而实现对突触功能的模拟。基于OFETs器件的光子突触的非易失性大部分取决于有机半导体与绝缘体界面处适当的捕获度，因此引入电荷捕获介质层是提供适当捕获度的手段之一。此外，采用顶栅结构或引入浮栅等也可以实现对突触功能的模拟。图3给出了三种常用的基于OFETs器件的人工光子突触的器件构型。
图3.目前报道的基于OFETs的人工光子突触的器件构型，分别为（a）浮栅结构、（b）引入电荷捕获层、（c）顶栅器件结构。
（来源：Adv. Funct. Mater.）
目前，关于光子突触创新应用的报道越来越多，开发更多的创新性应用以适应工业化需求也是这个领域的重中之重。该文就目前已经报道的工作，总结了以下几个类别的创新性应用：人工视觉系统、图案识别、光控多巴胺感应、光驱动机器人、光驱动的仿神经肌肉系统和智能窗户等（图4）。
图4.该综述从功能材料、器件结构、创新应用三个方面对基于OFETs器件的人工光子突触领域进行了总结
（来源：Adv. Funct. Mater.）
功能材料是制备人工光子突触的前提，器件结构为人工光子突触的构筑提供了更多的灵活性，创新应用为人工光子突触走向规模化生产铺平了道路。拓展新的材料体系、开发全新的器件构型和实现更多的创新应用是这一领域的三个重要前景。相信随着该领域的不断蓬勃发展，基于有机场效应晶体管的人工光子突触从实验室规模走向工业化阶段指日可待。
总结：
作者从功能材料、器件构型、创新应用三个方面综述了基于有机场效应晶体管的人工光子突触领域的最新进展，重点介绍了材料选择原则、光电转换机理和器件制备技术，为基于有机场效应晶体管的人工光子突触从实验室走向规模化应用提供了理论指导。该综述以“Organic Field Effect Transistor-Based Photonic Synapses: Materials, Devices, and Applications”为题发表在Adv. Funct. Mater.上（DOI: 10.1002/adfm.202106151），该论文的第一作者为天津大学-新加坡国立大学福州联合学院的博士研究生张晴、金腾宇，通讯作者为天津大学的胡文平教授、耿德超教授，新加坡国立大学的陈伟教授（论文作者：Qing Zhang、Tengyu Jin、Xin Ye、Dechao Geng、Wei Chen、Wenping Hu）。
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