蘇州納米所康黎星等Nat. Commun.：碳納米管仿生人工視覺領域取得新進展
近年來，模仿人類視網(wǎng)膜功能的光電器件在神經(jīng)形態(tài)計算領域引起了廣泛關注。這些設備具備更高的信息處理能力和更低的能耗。神經(jīng)形態(tài)器件旨在整合感知、存儲和計算，為基于馮·諾依曼架構的高延遲和高功耗計算與存儲提供理想的替代方案。然而，實現(xiàn)這一目標仍面臨多重挑戰(zhàn)，其中關鍵問題之一是將光信號轉換為非易失性電信號以進行存儲。在材料層面，這一轉換現(xiàn)象被稱為持久光電導（PPC）。持久光電導在模擬光刺激下神經(jīng)突觸行為的神經(jīng)形態(tài)器件中發(fā)揮著至關重要的作用，是實現(xiàn)高效、低能耗神經(jīng)形態(tài)器件的關鍵因素之一。然而，開發(fā)具有寬溫度范圍和超低功耗的持久光電導仍然是神經(jīng)形態(tài)計算領域內(nèi)的重大挑戰(zhàn)。之前的研究通常需要額外的柵極電壓和較低的溫度才能實現(xiàn)持久光電導，這不僅增加了能量消耗，也限制了持久光電導在更廣泛溫度范圍內(nèi)的應用。
針對上述問題，中國科學院蘇州納米所康黎星研究員團隊使用鋅（II）-內(nèi)消旋四苯基卟啉（ZnTPP）和單壁碳納米管（SWCNT）制造了一個簡單的異質(zhì)結。通過利用異質(zhì)結界面處的強結合能和獨特的能帶結構，異質(zhì)結在極寬的溫度范圍（77 K-400 K）內(nèi)實現(xiàn)了PPC。值得注意的是，它具有長達 2×10?4??s 的非易失性存儲能力，無需額外的柵極電壓和低溫條件。每個突觸事件的最低能量消耗低至 6.5 aJ。此外，研究者還成功地證明了利用這種異質(zhì)結制造柔性晶圓級陣列的可行性，并將其應用于極端溫度下的自動駕駛，取得了高達 94.5% 的準確率。這種可調(diào)且穩(wěn)定的 PPC 功能為超低功耗神經(jīng)形態(tài)計算帶來了新的解決方案。
圖1. 晶圓級突觸陣列的設計和制造
圖2. SWCNT/ZnTPP 光電晶體管的可重構編程能力和突觸特性
圖3. 不同溫度下自動駕駛的仿真模擬
該工作以Ultra-low power carbon nanotube/porphyrin synaptic arrays for persistent photoconductivity and neuromorphic computing為題發(fā)表在Nature Communications上。中國科學院蘇州納米所博士生姚建，博士后王琦男和張勇為論文共同第一作者。西交利物浦大學趙春教授和中國科學院蘇州納米所康黎星研究員、李清文研究員為共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金、江蘇省重點研發(fā)計劃等項目的支持，以及中國科學院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站和納米加工平臺的技術支持。
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