编辑推荐：
本文报道了一种基于二维范德华材料BP/POx/WSe2异质结构的浮栅晶体管，该器件展现出高达105的开关比和73V的大记忆窗口。通过电学和光电调控实现了短期可塑性（STP）、长期可塑性（LTP）和双向权重更新等关键突触功能，并成功模拟人类视觉记忆行为，单次突触事件能耗低至10pJ。研究者进一步开发了双路径卷积神经网络（CNN），在LFW人脸识别任务中达到96.9%的准确率，为边缘人工智能应用的视觉处理提供了创新解决方案。
材料与器件设计创新
本研究采用机械剥离法制备了BP/POx/WSe2异质结构浮栅晶体管，其中WSe2作为沟道层，自发氧化的BP衍生物POx作为隧穿势垒，BP作为浮栅层。高分辨率透射电镜（HRTEM）显示BP与WSe2之间存在约3nm的非晶层，能量色散X射线光谱（EDS）元素 mapping证实该界面层为磷氧化物。原子力显微镜（AFM）测量显示BP/POx和WSe2的厚度分别为10nm和7nm。X射线光电子能谱（XPS）在130.1eV和134.8eV处分别检测到P-P和P-O键的特征峰，拉曼光谱结果与先前报道的二维材料特征峰一致。
电学特性与存储机制
器件的转移特性曲线显示出显著的回滞窗口，其记忆窗口随背栅电压（Vbg）扫描范围的增大而扩大，在±80V扫描范围内达到73V。输出特性曲线呈现二极管特性，在正偏压区域符合Fowler-Nordheim（FN）隧穿机制。存储机制可解释为：负向Vbg使空穴从WSe2沟道隧穿通过POx层被BP浮栅捕获，等效于施加正栅压使沟道耗尽；正向Vbg则将空穴推回沟道，使器件导通。这种垂直异质结构设计实现了高效的电荷存储与释放。
电调控突触特性
该器件成功模拟了生物突触的核心功能。通过调节电脉冲的幅值、宽度和频率，实现了从短期可塑性（STP）到长期可塑性（LTP）的转变。当施加40V小幅度脉冲时，突触后电流（PSC）呈现快速衰减的STP特性；而80V脉冲则诱发持续性的LTP响应。双脉冲易化（PPF）实验显示 relaxation时间常数（τ1=10.426ms, τ2=261.848ms）与生物突触相当。在±60V脉冲作用下，器件展现出良好的LTP/D循环稳定性，经过1000次循环后仍保持103的开关比。
光电协同突触行为
在365nm光照下，器件展现出优异的光电突触特性。通过调节光功率和曝光时间，可实现从STP到LTP的转变，并表现出持续光电导（PPC）效应。特别值得注意的是，在Vds=0.01V的读取电压下，单次突触事件的能耗仅为10pJ，优于大多数已报道的光电突触器件。光照条件下，BP在紫外波段产生大量光生载流子，而WSe2的PPC效应使少量载流子被POx层缺陷陷阱捕获，产生光生栅压效应，显著降低了空穴注入势垒，实现了光子调控的"光电阀门"效应。
视觉记忆模拟
器件成功模拟了人类视觉记忆的多个特征。通过控制光照时间、脉冲次数和光照后时间，再现了"瞥视"、"凝视"和"重复观看"等视觉记忆形成过程。短暂光照（5s）后，字符"H"的图像信息可保留30s；延长光照时间（15s）或增加脉冲次数显著增强了记忆保持能力。这种基于光刺激的图像感知与记忆功能，为神经形态视觉系统的实现提供了硬件基础。
神经形态计算应用
研究者创新性地开发了双路径卷积神经网络（CNN）架构，分别处理电压激励和脉冲激励信号。该网络包含4个动态卷积层和3层全连接神经网络，利用器件的LTP/D曲线约束调节激活函数的非线性特性，NSeff参数控制神经元灵敏度，Gmax/Gmin影响权重初始化范围。在LFW人脸数据集上的测试表明，该模型准确率达到96.9%，ROC曲线下面积（AUC）达99%。激活特征图显示网络能够聚焦于眼睛、鼻子和嘴巴等关键面部区域，模仿人类视觉感知机制。
技术优势与意义
与传统硅基突触相比，该浮栅光电突触晶体管具有三大优势：一是利用二维材料异质结构实现了原子级薄层和可调电子特性；二是通过BP/POx界面工程优化了能带对齐，获得了优异的存储性能；三是实现了电学和光学双模调控，为多模态神经形态计算提供了硬件平台。10pJ的超低能耗特性使其特别适合边缘AI应用，为人脸识别、图像处理等视觉任务提供了能效优化的解决方案。
未来展望
这项研究不仅展示了二维材料在神经形态计算中的巨大潜力，更重要的是提出了材料-结构协同设计的新范式。BP/POx/WSe2异质结构成功解决了BP环境稳定性的难题，同时充分利用其氧化敏感性实现功能创新。双路径CNN算法的开发体现了硬件-软件协同优化的设计理念，为未来视觉增强的神经形态计算系统奠定了基础。这种将材料特性、器件物理和算法设计深度融合的研究方法，将为新一代人工智能系统的发展提供重要借鉴。
生物通微信公众号
生物通 版权所有
