南开徐文涛教授&李跃龙副教授Adv. Funct. Mater.：基于单晶钙钛矿的横向结构人工突触

引言：

近年来，神经形态计算技术得到快速发展，它有望打破传统冯诺依曼瓶颈，构建类脑计算机或人工智能仿生系统，而利用电子器件模拟生物突触则是实现这一目标的首要条件。目前科学家们已将多种电子器件用于构建人工突触以及神经仿生系统，其中钙钛矿材料因其优异的光电特性和机械性能，在构建人工突触并模拟突触可塑性和神经形态计算上均取得重要进展。然而，目前提出的钙钛矿人工突触电子器件大多是基于多晶钙钛矿材料。多晶钙钛矿材料内部有较多的缺陷和晶界，增大了载流子的散射和复合损失，不利于器件性能的提升和优化。相比较于多晶钙钛矿材料，单晶钙钛矿内部缺陷低，无晶界，具有更高的稳定性。因此，制备基于单晶钙钛矿材料的人工突触并探究其对突触可塑性的模拟对于构建神经形态计算系统具有重要意义。

内容：

近日，南开大学电子信息与光学工程学院徐文涛教授和李跃龙副教授共同合作，在Adv. Funct. Mater.上发表了一篇题为Lateral artificial synapses on hybrid perovskite platelets with modulated neuroplasticity(DOI:adfm.2020005413) 的研究论文。文章报道了一种基于高质量单晶钙钛矿薄片的人工突触电子器件。该器件具有皮安级别的操作电流和超低的能耗（14.3 fJ/spike），能够实现包括双脉冲易化，尖峰脉冲依赖可塑性，活动依赖可塑性等突触行为。该工作首次将单晶钙钛矿材料应用到人工突触上并提出了一种新型器件结构，为钙钛矿材料在人工突触电子器件上的应用提供了新的路径和方法。

图文简介：

图一：单晶钙钛矿薄片的制备和性能表征

(a)基于单晶钙钛矿薄片的人工突触电子器件制备流程；

(b)单晶钙钛矿薄片的荧光图像；

(c)单晶钙钛矿薄片的AFM照片；

(d)单晶钙钛矿薄片的XRD图谱；

(e)单晶钙钛矿薄片的稳态吸收谱和光致发光谱，其中插入图为单晶钙钛矿薄片对不同能量的光子吸收强度变化，激发峰为380 nm.

图2：基于单晶钙钛矿和多晶钙钛矿材料的人工突触可塑性的模拟

(a)基于单晶钙钛矿薄片和多晶钙钛矿薄膜的人工突触器件对双脉冲易化的模拟对比。

(b)基于单晶钙钛矿薄片的人工突触器件对不同电压下的尖峰脉冲持续依赖可塑性的模拟；

(c)基于单晶钙钛矿薄片和多晶钙钛矿薄膜的人工突触器件的能耗水平对比；

(d)基于单晶钙钛矿薄片和多晶钙钛矿薄膜的人工突触器件对尖峰电压持续可塑性的模拟对比。

图3：基于单晶钙钛矿薄片的人工突触器件对活动依赖可塑性的模拟

(a)大脑感知外界刺激示意图；

(b)基于突触可塑性再塑的痛觉实验模拟：通过抑制作用，可提高突触可塑性的增强；

(c)基于突触可塑性再塑的痛觉实验模拟：通过增强作用，可提高突触可塑性的抑制。

小结：

本文首次将单晶钙钛矿应用到人工突触电子器件上，并提出了一种两端横向突触结构；相比较于多晶钙钛矿人工突触器件，本文提出的单晶钙钛矿人工突触电子器件展示出优良的光电传输特性，在能耗和灵敏度上均有所突破。其中南开大学徐文涛教授和南开大学李跃龙副教授为论文的共同通讯作者，南开大学博士生龚江东、于海洋和硕士生周芯为论文的共同第一作者。本项工作受到天津杰出青年科学基金、广东省重点研发项目,南开大学百青年学术带头人计划,天津市自然科学基金,中国国家自然科学基金,基础研究基金中国中央大学,国家重点研发项目，天津市国际联合研发中心，天津市研究生科研创新项目等共同支持。

徐文涛 教授

南开大学光电子薄膜器件与技术研究所教授，博士生导师。曾入选国家海外高层次人才青年项目，天津市海河英才计划“领军人才”，南开大学“百名青年学科带头人”，并获得“天津市杰出青年科学基金”资助。本科毕业于北京师范大学（2005），博士毕业于韩国浦项工科大学（2012）。曾任韩国浦项工科大学和首尔国立大学研究副教授。曾在伊利诺大学香槟分校John A Rogers教授（美国科学院/工程院院士/IEEE fellow）研究组和斯坦福大学Zhenan Bao教授（美国工程院院士）研究组访问学习和合作研究。研究领域涉及多学科交叉，包括各种材料、化学在神经仿生电子器件、信息存储器件、场效应晶体管、柔性可穿戴电子等方面的应用。发表高水平SCI论文44篇。其中第一作者和通讯作者36篇，包括Science，Science Advances，Advanced Materials，Nano Energy，Materials Horizons等。多项工作被选为Advanced Materials杂志封面。申请国内和国外专利16项（其中2项已获授权），多项成果被媒体广泛报道。

李跃龙 副教授

南开大学电子信息与光学工程学院副教授，博士生导师。曾入选天津市海外高层次人才青年项目，欧盟玛丽居里学者，担任国家重点研发计划课题负责人，国家自然科学基金函评专家。2012年3月获得韩国科学技术研究院博士学位（KIST/UST），师从Nam-Gyu Park教授（钙钛矿太阳电池三位权威发明人之一）和Min-Jae Ko教授（柔性太阳电池权威专家），之后在美国加州大学-圣迭戈分校(UCSD)和西班牙国家研究院(CSIC)从事博士后研究，并先后在英国牛津大学Henry Snaith实验室（2015）和剑桥大学卡文迪许实验室（2018）作访问研究。2016年10月，以人才引进方式加入南开大学电光学院。目前主持国家重点研发计划项目课题，欧盟“地平线2020”项目，国家自然科学基金面上项目等国家或省部级科研项目6项。主要从事纳米光电材料与器件领域研究，目前专注于钙钛矿太阳电池，钙钛矿单晶材料制备及光生电荷传输机理研究，钙钛矿/晶硅两端叠层电池，柔性能源电子等方向研究。先后获得塑料衬底柔性染料敏化太阳电池最高效率8.55%；获得全辊涂制备的钙钛矿太阳电池最高效率12.34%；发明首颗钙钛矿量子点结，并发现其室温下电学量子干涉现象；在Energy & Environmental Science，Nature Communications，Nano Energy，Advanced Functional Materials等高水平期刊发表学术论文50多篇；已授权美国、韩国、PCT专利、中国等发明专利5项。担任30多种学术杂志独立审稿人和仲裁人。

本文由作者团队供稿。