視覺感知系統(tǒng)是生物與環(huán)境互動的基礎(chǔ)，使其能夠收集信息并產(chǎn)生生存和繁殖所必需的適應(yīng)性反應(yīng)。值得注意的是，選擇性記憶和適應(yīng)是最獨特和最基本的視覺行為之一，是視覺系統(tǒng)有效運作的基礎(chǔ)。在生物學(xué)上，生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以同時感知、記憶和處理光信息，具有高效率，低能耗和高容錯率等特點。然而，基于傳統(tǒng)馮?諾依曼架構(gòu)的固態(tài)硬件很難實現(xiàn)這些仿生視覺行為。目前，基于二維材料的光電晶體管已經(jīng)證明了具有仿生視覺適應(yīng)的能力，為下一代人工視覺系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。但仍有一些關(guān)鍵問題有待解決，如優(yōu)化適應(yīng)過程、提高記憶效率和最優(yōu)化能耗。因此，從底層器件概念出發(fā)，需要進(jìn)一步發(fā)展新型器件架構(gòu)，以超越傳統(tǒng)的人類視覺功能。

針對上述問題，中南大學(xué)物理學(xué)院蔣杰課題組提出了一種基于不對稱肖特基勢壘的器件架構(gòu)和分級適應(yīng)概念，成功實現(xiàn)了一系列重要的選擇性記憶和分級適應(yīng)行為，且單突觸事件功耗打破了現(xiàn)有記錄（達(dá)到zJ量級）。該研究為具有低能耗、環(huán)境自適應(yīng)和動態(tài)視覺感知性能的自動駕駛汽車和環(huán)境交互機器人的未來發(fā)展提供了重要借鑒。相關(guān)工作近日以“Reconfigurable Graded Adaptive Asymmetry-Schottky-Barrier Phototransistor for Artificial Visual System with zJ-Energy Record”為題，在線發(fā)表于著名期刊Applied Physics Reviews上。

圖1.晶體管制備工藝和電學(xué)特性

肖特基勢壘不僅可以有效地降低暗電流實現(xiàn)超低功耗，而且能有效地分離光生載流子提高響應(yīng)速度。有鑒于此，我們基于不對稱電極結(jié)構(gòu)設(shè)計了二維MoS2光電晶體管器件架構(gòu)，以實現(xiàn)不對稱肖特基勢壘接觸。在設(shè)計中，選擇不同功函數(shù)的金屬材料，其中Ni/Au被用于源極，而Pd被用于漏極。這樣的設(shè)計使得在源極和漏極界面分別形成了高低不同的肖特基勢壘，進(jìn)而構(gòu)建出不對稱的肖特基勢壘結(jié)構(gòu)。此外，我們通過空間分辨光電流映射證明了不對稱肖特基勢壘的存在。這種獨特的肖特基勢壘界面能有效的捕獲電荷，從而模擬生物記憶行為，同時在實現(xiàn)生物適應(yīng)功能上也具有重要價值（如圖1所示）。

圖2.不對稱肖特基勢壘晶體管的KPFM表征和能帶原理圖

通過進(jìn)一步的相關(guān)表征結(jié)果證實：該新型光電晶體管的源、漏極金屬/半導(dǎo)體接觸界面確實存在不同的肖特基勢壘。基于KPFM結(jié)果，結(jié)合金屬功函數(shù)進(jìn)一步深入分析能帶機制，發(fā)現(xiàn)不同的偏置電壓可以有效地調(diào)節(jié)肖特基勢壘和陷阱態(tài)。這為后續(xù)實現(xiàn)可重構(gòu)的仿生視覺選擇性記憶和分級適應(yīng)行為奠定了基礎(chǔ)（如圖2所示）。

圖3.視覺選擇性記憶行為

通過對比正負(fù)偏置下的光突觸性能，發(fā)現(xiàn)正偏置下的突觸記憶效果隨著強度的增大而保持不變，而負(fù)偏置下的突觸記憶效果呈現(xiàn)下降趨勢，類似于生物視覺選擇性記憶行為。并且突觸的EPSC響應(yīng)在正負(fù)偏置下，分別表現(xiàn)出線性和指數(shù)的可重構(gòu)調(diào)控特性。此外，得益于肖特基勢壘，不對稱肖特基突觸器件顯示出單突觸事件90 zJ的功耗現(xiàn)有記錄（如圖3所示）。

圖4.可重構(gòu)的分級適應(yīng)行為

重要的是，基于正負(fù)偏置下的不對稱肖特基勢壘特性，還可以實現(xiàn)快速的分級適應(yīng)行為，在保證靈敏度的同時還能兼顧準(zhǔn)確度（如圖4所示）。最后，基于光-電協(xié)同刺激策略，進(jìn)一步模擬了視網(wǎng)膜的幾種適應(yīng)機制，包括快適應(yīng)、慢適應(yīng)和周圍適應(yīng)（如圖5所示）。這些結(jié)果不僅有效地驗證了提出的選擇性記憶和分級適應(yīng)概念，而且為視覺適應(yīng)系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用提供了一個全新思路。

圖5.光電協(xié)同的適應(yīng)行為

中南大學(xué)物理學(xué)院博士生宋泓霖為論文第一作者；中南大學(xué)物理學(xué)院蔣杰教授為通訊作者。特別感謝中南大學(xué)物理學(xué)院周瑜教授和鐘綿增教授團(tuán)隊在器件表征方面的支持。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（No. 52172169）和湖南省杰出青年科學(xué)基金（2023JJ10069）等項目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.60893/figshare.apr.c.7811135.v1