福州大学郭太良教授、杨尊先教授《ACS AMI》：具有刺激记忆感官适应特性的钙钛矿基神经形态晶体管

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模拟人类行为（如感觉系统）的人工智能神经形态电子器件越来越受到人们的关注，它被认为是硬件构建类脑计算机和人工智能系统的重要部分。在人类感觉系统中，适应是非常的重要功能。如古人云，入芝兰之室，久而不闻其香；入鲍鱼之肆，久而不闻其臭。当人类鼻腔中的嗅觉受体神经元（ORNs）重复受到气味刺激时，它们的敏感性通过不同的细胞机制降低。若在有限的时间内ORNs受到两次刺激，可以观察到第二次刺激的神经活动较少，并且随着两次刺激之间的间隔时间增加，效果逐渐变弱。这种现象表明了先前的刺激经验对ORNs感知的影响。目前，大多数的具有感觉适应特性的神经形态电子器件忽略了刺激历史对感官适应性的影响。

近日，福州大学郭太良教授团队、杨尊先教授课题组利用混合卤化物钙钛矿膜的光致卤素离子相分离及其缓慢恢复的特性，制备了CsPbBr_xI_3-x/TIPS复合神经形态晶体管成功模拟了依赖于刺激历史的感官适应行为。相关研究工作发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上，题为“Mixed-Halide Perovskite Film-Based Neuromorphic Phototransistors for Mimicking Experience-History-Dependent Sensory Adaptation”（DOI: 10.1021/acsami.1c11866）。课题组博士研究生刘佳慧为论文第一作者。

众所周知，混合卤化物钙钛矿具有软晶格和高离子扩散率的特点，因此容易产生光致卤素离子相分离并形成局部富含卤化物域。由于卤素离子迁移的活化能低（约为 0.1 eV），即使在可见光照射下这种卤素离子相分离现象也会在几秒钟内发生。有趣的是，在去除刺激后卤素离子相分离会缓慢地恢复到原始状态。在本研究中，实验结果表明当施加光刺激时，CsPbBr_xI_3-x膜中出现富含碘的区域。而且，除去光刺激后，不会迅速恢复到原始的状态。在有限的时间内，下一次光刺激会在上一次刺激的基础上诱导出更多的富碘的区域产生以模拟刺激历史的记忆。CsPbBr_xI_3-x薄膜中产生富含碘的区域导致材料带隙的局部变化，从而影响CsPbBr_xI_3-x/TIPS界面的光生载流子分离效率。而且，CsPbBr_xI_3-x/TIPS形成的II型异质结将诱导光电流延迟以模拟生物突触特性。基于上述过程，施加的光刺激类似于气味分子在接触嗅毛纤毛时激活的转导信号，然后该信号将进一步被CsPbBr_xI_3-x/TIPS异质结处理，类似于ORNs和突触的结合。此外，由于光刺激的能量与脉冲宽度、强度和波长有关，因此可以在更宽的阈值范围内调节卤素离子相分离。这使得该CsPbBr_xI_3-x/TIPS复合神经形态晶体管具有适应不同变化的环境的巨大潜力，可能为实现仿生感官适应提供了一种新的思路。

图1：(a) 人类嗅觉系统示意图。(b) 完整ORN的适应性。(c) CsPbBr_xI_3-x/TIPS器件的后突触电流，施加50个持续脉冲刺激，4个阶段刺激由暗息期隔开，器件在V_ds=-1 V和V_gs=0 V下工作（光波长：365 nm，光功率密度：20 ，脉冲宽度=4000 ms，相邻两个脉冲之间的脉冲间隔=1000 ms）。(d) CsPbBr_xI_3-x/TIPS复合神经形态晶体管模拟刺激经验依赖的适应机制。

图2：(a) CsPbBr_xI_3-x薄膜的PL光谱（通过365 nm激发光测量）。CsPbBr_xI_3-x薄膜的显微镜图像在(b) 蓝光和(c) 绿光模式下分别照射120 s，然后分别在黑暗中3 min（比例尺：5 ）。

图3：(a) CsPbBr_xI_3-x薄膜的UPS光谱：SEC区域（左）和VB区域（右）。(b) CsPbBr_xI_3-x、TIPS和CsPbBr_xI_3-x/TIPS 薄膜的紫外可见吸收光谱。(c) CsPbBr_xI_3-x/TIPS复合膜分别在黑暗和光照下的能带图。(d) CsPbBr_xI_3-x、TIPS和CsPbBr_xI_3-x/TIPS薄膜的TRPL光谱。

图4：(a) CsPbBr_xI_3-x/TIPS复合光电晶体管在365 nm光下的传输曲线，光功率密度从 2  到 10 不等。 (b) 复合光电晶体管的探测率和光响应率值与光强度函数关系。(c) CsPbBr_xI_3-x/TIPS复合光电晶体管在(d) 400 nm光、(e) 500 nm 光和(f) 650 nm光下测试的转移特性曲线（首先连续测量三次，然后在5 min的黑暗休息期后重复测试数次）。

图5：CsPbBr_xI_3-x/TIPS复合光电晶体管分别在(a) 400 nm、(b) 500 nm和(c) 650 nm光下施加正、负栅极偏压的载流子传输机制

图6：(a) 施加40个光脉冲在V_ds=-1 V和V_gs=5 V时分别重复四次(脉冲宽度=1000 ms，相邻两个脉冲之间的脉冲间隔=1000 ms)触发的光波长依赖性可塑性。(b) 由50个光脉冲触发的后突触电流，光功率密度为20 在V_ds=-1 V 和V_gs=0 V（波长：650 nm，脉冲宽度=5000 ms，相邻两个脉冲之间的脉冲间隔=1000 ms）。(c) 后突触电流由50个光脉冲触发，光功率密度为65 ，施加V_ds=-1 V和V_gs=0 V（波长：650 nm，脉冲宽度=4000 ms，相邻两个脉冲之间的脉冲间隔=1000 ms）。(d) CsPbBr₃/TIPS复合光电晶体管在V_ds=-1 V和V_gs=-2 V下的的三个光增强（波长：450nm，光功率密度：78 ）和电抑制的周期循环。

本研究工作得到了国家自然科学基金、闽都创新实验室等项目的支持。

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c11866

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