使用混合超結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建光電晶體管和光子突觸

（文章來(lái)源：科技報(bào)告與資訊）

有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵化物鈣鈦礦量子點(diǎn)（PQD）形成了一種有吸引力的光電應(yīng)用材料。但是，它們的電荷傳輸性能比石墨烯等的材料差。相反，石墨烯包含的電荷產(chǎn)生效率對(duì)于光電應(yīng)用而言太低。在一項(xiàng)新的研究中，Basudev Pradhan和納米科學(xué)技術(shù)中心的研究團(tuán)隊(duì)，以及美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的的多領(lǐng)域科學(xué)家們，利用石墨烯-PQD超結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了一種超薄光子晶體管和光子突觸。

為了制備超結(jié)構(gòu)，他們直接從石墨烯晶格中生長(zhǎng)了PQD。由G-QPD制成的光電晶體管表現(xiàn)出出色的響應(yīng)度和比檢測(cè)率。上層結(jié)構(gòu)的光輔助記憶效應(yīng)使光子突觸行為可用于神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，該團(tuán)隊(duì)在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下通過(guò)面部識(shí)別應(yīng)用程序進(jìn)行了演示。Pradhan等研究人員期望G-PQD超結(jié)構(gòu)為開(kāi)發(fā)高效光電器件提供新的方向。

石墨烯因其寬的光譜帶寬，出色的載流子傳輸性能，高遷移率，出色的穩(wěn)定性和出色的柔韌性而成為電子和光電領(lǐng)域的理想材料。材料科學(xué)家開(kāi)發(fā)了許多復(fù)合材料和器件，用于能量收集，存儲(chǔ)，光電探測(cè)器和晶體管。但是，單層石墨烯只能吸收2.3％的入射可見(jiàn)光，嚴(yán)重阻礙了它們?cè)诠怆姾凸庾悠骷械氖褂?。相反，由于有機(jī)-無(wú)機(jī)PQD 的獨(dú)特特性，它們已成為光電應(yīng)用中有吸引力的材料，盡管它們的電荷傳輸能力比石墨烯差。

Pradhan等通過(guò)使用缺陷介導(dǎo)的方法從單層石墨烯的晶格中生長(zhǎng)PQD，探索了這項(xiàng)工作中甲基銨溴化鉛PQD的強(qiáng)光生效率。由于PQD可以吸收光并生成電荷載流子，因此其原理有助于設(shè)計(jì)混合超結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)在光電晶體管的幾何形狀中實(shí)現(xiàn)了薄的超結(jié)構(gòu)，以在430 nm處產(chǎn)生1.4×10 8 AW -1的光響應(yīng)性和4.72 x 10 15 Jones 的比檢測(cè)率；這是迄今為止在類(lèi)似設(shè)備上記錄的最佳響應(yīng)度和探測(cè)率。

這項(xiàng)工作極有希望開(kāi)發(fā)出用于高速通信，傳感，超靈敏相機(jī)，高分辨率成像和顯示器的高效光電材料。以光子突觸形式存在的石墨烯-PQD（G-PQD）超結(jié)構(gòu)的行為對(duì)于模式識(shí)別也至關(guān)重要。結(jié)果支持用于模擬人腦的神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)硬件單元的開(kāi)發(fā)，可用于一系列的應(yīng)用程序。Pradhan等使用配體輔助再沉淀（LARP）來(lái)生產(chǎn)具有非常高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率的PQD，并控制PQD產(chǎn)品的尺寸和形態(tài)。該團(tuán)隊(duì)直接在石墨烯單層的活性位點(diǎn)上開(kāi)始PQD的生長(zhǎng)，以形成超結(jié)構(gòu)。在此過(guò)程中，他們將抗溶劑甲苯添加到被鈣鈦礦前體浸潤(rùn)的石墨烯層上以引發(fā)晶種，并在形成PQD晶體所需的石墨烯片上形成鈣鈦礦胚。

該團(tuán)隊(duì)使用透射電子顯微鏡（TEM）分析了新合成的雜化材料（石墨烯PQD ），以驗(yàn)證PQD和石墨烯層之間的結(jié)合。他們注意到存在兩種不同的G-PQD，它們吸收了434 nm和451 nm的可見(jiàn)光波長(zhǎng)，表明它們有可能形成在藍(lán)色照明下檢測(cè)的高性能光電晶體管。

使用時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)測(cè)試了材料相對(duì)于G-PQD 超結(jié)構(gòu)激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)的光物理性質(zhì)，并觀察到平均熒光衰減時(shí)間為749 ns。與先前報(bào)道的光刻膠相比，超結(jié)構(gòu)顯示出更高的靈敏度和更高的光電流。該設(shè)備還可以在白光照射下充當(dāng)光激活開(kāi)關(guān)，并且在打開(kāi)燈后的0.45秒響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，光電流迅速上升。由于更復(fù)雜的因素，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)。

由于采用傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)或普林斯頓結(jié)構(gòu)；目前，由數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)既耗時(shí)又耗電。內(nèi)存和處理器之間現(xiàn)有的性能和可伸縮性限制通常被稱(chēng)為von Neumann瓶頸。該設(shè)備在以數(shù)據(jù)為中心的實(shí)時(shí)圖像識(shí)別，數(shù)據(jù)分類(lèi)和自然語(yǔ)言處理應(yīng)用中造成了重大缺陷。因此，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算是一個(gè)新興的高級(jí)平臺(tái)，可以勝過(guò)馮·諾依曼架構(gòu)。在設(shè)置中，突觸通常可以充當(dāng)兩個(gè)神經(jīng)元之間的交流通道。

在這種情況下，G-PQD上層結(jié)構(gòu)充當(dāng)了人造光子突觸。突觸前信號(hào)基于光脈沖形式的外部光刺激，而突觸后信號(hào)是通過(guò)G-PQD通道獲得的電流，以保持漏極源極和柵極電壓固定。G-PQD突觸設(shè)備的嵌入式光學(xué)信息，檢測(cè)處理和保留功能在模式識(shí)別領(lǐng)域中成為了人類(lèi)視覺(jué)記憶的潛在候選者。Pradhan等。構(gòu)建了一個(gè)尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以使用Python執(zhí)行無(wú)監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)和面部識(shí)別。該團(tuán)隊(duì)使用四幅人物肖像來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并表明增加輸出神經(jīng)元的使用以及更長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)更高的面部識(shí)別率。

以這種方式，Basudev Pradhan及其同事基于利用缺陷介導(dǎo)的晶體生長(zhǎng)技術(shù)從石墨烯晶格中生長(zhǎng)的PQD的雜化材料，開(kāi)發(fā)了極薄的超結(jié)構(gòu)。由于PQD和石墨烯的π電子云的結(jié)合，他們獲得了高度增強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移。最終的器件在光電晶體管和光子突觸方面表現(xiàn)出了很高的性能，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。該團(tuán)隊(duì)打算將他們的方法擴(kuò)展到其他二維材料，包括過(guò)渡金屬二鹵化物和其他異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)工作將為適用于多種電子和光電應(yīng)用的新型高性能上部結(jié)構(gòu)材料打開(kāi)一扇大門(mén)，這對(duì)面部識(shí)別和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算非常有利。
（責(zé)任編輯：fqj）