研究表明，P(VDF-TrFE)材料可以改善钙钛矿薄膜的质量和光电特性，而钙钛矿的光电性能可以加强P(VDF-TrFE)材料的铁电性。该光铁电突触器件表现出具有小的VSET和VRESET的双极型开关特征，同时也展现出良好的忆阻器特性，能够成功模拟大脑中的一些突触可塑性行为。特别是，该光铁电突触器件可以实现巴甫洛夫狗条件反射实验中大脑的记忆、遗忘和恢复等学习功能。该工作为利用新型多功能材料(如光铁电、光磁电、光热电和光压电材料)，用于设计多功能突触器件和神经形态计算提供了一条可行性方案。近日，河南大学未来技术学院李桧林副教授和中科院固体所的陈冲研究员利用卤化物钙钛矿和有机铁电材料，研发了一种新型光铁电突触器件。基于课题组先前在钙钛矿材料和器件方面的研究基础，本工作采用有机铁电材料(聚偏氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE))作为添加剂，以增强卤化物钙钛矿材料的光铁电性，从而研发了新型突触器件。随着大数据和物联网 (IoT)的发展，智能电子产品需要高性能芯片处理和存储日益增长的数据量。由于内存墙和摩尔定律的限制，人工突触作为一种模拟神经系统功能的器件引起了广泛关注。近年来，基于新兴材料的突触/神经形态器件受到了越来越多的关注。在模拟人类感官系统方面，光电突触因其低功耗和小延迟而备受关注，可以作为光遗传学智能系统的核心部件，并能连接视觉系统和大脑功能。图1. a) P(VDF-TrFE)/钙钛矿薄膜反溶剂一步合成的示意图。b) PFEP器件结构图，显示顶部金电极和底部ITO电极之间的PFEP/Spiro-OMeTAD。c) PFEP器件的横截面SEM图像。d) 具有原始/ PFEP处理的钙钛矿薄膜的XRD光谱图。显示e) 原始膜和f) PFEP钙钛矿薄膜的SEM表面图。g) 原始和PFEP钙钛矿薄膜的3D AFM形貌图像和h) 相应的粗糙度图像。光铁电突触器件为两端存储器件，其结构为ITO/光铁电钙钛矿(Cs0.05(FAMA)0.95Pb(I0.85Br0.15)3+P(VDF-TrFE)，photoferroelectric perovskite简写为PFEP)/Spiro-OMeTAD/Au。P(VDF-TrFE)的加入能改善钙钛矿薄膜的结晶动力学和结晶度，增大钙钛矿晶粒的尺寸和增强钙钛矿薄膜的光滑度。图2. a) 器件的概念图。b)器件的电流-电压(I-V)特性。c) 器件的I-V曲线显示非线性传输特性。d) 生物突触结构的示意图。e) 突触增强/抑制过程(振幅：±1 V，间隔：10 ms，宽度：10 ms)。在不同频率下，f) 正电压下实施SRDP和g) 负电压下实施SRDP。h) 利用正电压脉冲指数函数拟合的PPF和PTP曲线。i) 利用负电压脉冲指数函数拟合的PPD和PTD曲线。光铁电突触器件具有小的VSET和VRESET的双极型开关特征，同时也展现出良好的忆阻器特性。其结构类似于生物突触，利用电脉冲模拟了生物系统中信息传递的过程。在突触器件中实现了放电速率依赖可塑性(SRDP)、放电电压依赖可塑性(SVDP)、双脉冲促进(PPF)、双脉冲抑制(PPD)、强直后增强(PTP)和强直后抑制(PTD)等生物突触行为。图3. Vb代表基态电压，Vp代表极化电压。未极化光脉冲电流a)和d)。b) 使用3 V和e)使用-3 V极化60秒后的光脉冲电流，以及c)使用3 V和f)使用-3 V极化120秒后的光脉冲电流。利用光脉冲在不同极化条件下测量PFEP器件的光电流，证实了极化可以提高突触器件的光电流。该特性可模拟生物系统中的信息整合与发射(I&F)。完全极化后，光电流可达0.2 mA阈值，实现PFEP器件的I&F行为。图4. PFEP薄膜在a)正电压和b)负电压下的表面电位图像(比例尺尺寸：5 × 5 μm2)。c) 正负电压极化下表面电位分布的直方图。d) PFEP材料在0 V初始状态下未形成极化方向(P)和内建电场(Edp)方向。e) PFEP材料在3 V极化电压下的极化方向(P)和内建电场(Edp)方向。f) PFEP材料在-3 V极化电压下的极化方向(P)和内建电场(Edp)方向。器件的能带图在g) 0 V条件下的初始状态，h) 0.1 V条件下的SET过程，以及i) -0.1 V条件下的RESET过程。在极化后，PFEP薄膜的极化方向(P)朝向下方，并形成相反方向的内建电场 (Edp)。在这个过程中，空穴从PFEP薄膜移动到Spiro-OMeTAD薄膜，而电子传输到ITO电极。在一个较小的电压下，这些电子和空穴被分别提取，形成连续的光电流。图5. a)巴甫洛夫狗的条件反射学习中，“食物”刺激(电脉冲)与“铃声”刺激(光脉冲)的关联关系计算模拟。b)在联想条件形成之前，“食物”刺激(电脉冲)始终可以通过产生超过唾液分泌反应阈值的高权重变化来触发唾液分泌反应，这是由于食物刺激和唾液分泌反应之间强大的突触连接。c)然而，“铃声”刺激很少能够引起唾液分泌，因为在没有联想学习/训练过程的情况下，“铃声”刺激与唾液分泌反应之间缺乏固有的突触连接。d)联想学习通过同时施加“铃声”和“食物”刺激一段足够长的时间，然后仅使用不同时间的光脉冲来刺激器件。e)在条件反射之后被称为遗忘阶段。仅以“铃声”刺激引发的神经元反应被称为恢复阶段。通过电脉冲(食物)和光脉冲(铃声)的刺激，光铁电突触器件可以实现巴甫洛夫狗条件反射实验中大脑的记忆、遗忘和恢复等学习功能。实验结果表明器件的光电流受到极化程度的影响，部分极化时光电流提升明显，完全极化后光电流达到阈值。然而，器件的铁电性可能会随着时间的推移而逐渐减弱或消失，导致学习的遗忘。经过短时间训练后，器件的学习行为可以通过进一步训练得到恢复。本论文提出并制备了一种基于Cs0.05(FAMA)0.95Pb(I0.85Br0.15)3钙钛矿和P(VDF-TrFE)组成的复合材料光铁电突触器件，利用钙钛矿的光电性和P(VDF-TrFE)的铁电性实现光铁电效应。研究证明P(VDF-TrFE)不仅增强了钙钛矿材料的铁电性，还可以作为添加剂改善钙钛矿薄膜的质量和光电特性。光铁电突触器件表现出具有小的VSET和VRESET的双极型开关特征，同时也展现出良好的忆阻器特性，能够模拟大脑中的一些突触可塑性行为，如PPD、PPF、PTP、PTD和SRDP等。特别是，该光铁电突触器件可以实现巴甫洛夫狗条件反射实验中大脑的记忆、遗忘和恢复等学习功能。这项工作为利用新型多功能材料(如光铁电、光磁电、光热电和光压电材料)，用于设计多功能突触器件和神经形态计算提供了一条可行性方案。Photoferroelectric Perovskite Synapses for Neuromorphic ComputingShuangshuang Han, Ting Ma, Hui Li, Jiale Wu, Rong Liu, Ruirui Cao, Fumin Li, Huilin Li* and Chong Chen* Advanced Functional Materials DOI: 10.1002/adfm.202309910https://doi.org/10.1002/adfm.202309910韩爽爽，河南大学未来技术学院硕士研究生。2016年获得郑州大学学士学位。在校期间，多次获得研究生学业奖学金、一等学业奖学金、优秀研究生等荣誉称号。研究方向为钙钛矿材料和二维铁电材料，以及其在太阳能电池和信息存储器件中的应用。李桧林，河南大学未来技术学院副教授。于2017年获得中国科学技术大学博士学位，2017年至2019年在深圳大学从事博士后研究工作，2019年加入河南大学(河南省光伏材料重点实验室)。研究兴趣为钙钛矿材料、低维铁电和铁磁材料，以及其在太阳能电池和信息存储器件中的应用。陈冲，中国科学院固体物理研究所研究员。2009年获中国科学院博士学位，随后，分别于2010年和2011年在韩国高级科学技术研究所(韩国KAIST)和南达科他州立大学(美国SDSU)担任博士后研究员，2012年，加入河南大学(河南省光伏材料省重点实验室)， 2017-2018年在美国匹兹堡大学做访问学者，2023年转至中科院固体所。研究方向为钙钛矿太阳能电池、量子点敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池。
原创文章，作者：菜菜欧尼酱，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/12/12/c075ae1bb9/
