InP/ZnSe核壳量子点中的可控电荷储存性能：面向仿生光学突触应用的研究

《Advanced Science》：Controllable Charge Storability in InP/ZnSe Core/Shell Quantum Dots toward Bioinspired Optical Synaptic Application

人工神经形态器件中基于InP/ZnSe核壳量子点的光电子突触特性及其类脑学习行为研究。通过调控ZnSe壳层厚度，显著增强量子点的电荷存储能力，并实现光/电双模可编程突触行为，包括频率依赖性突触可塑性、短/长时记忆转换及Pavlovian条件反射模拟。采用聚3-己基噻吩（P3HT）基薄膜晶体管结构，结合高角暗场透射电镜和光谱表征，验证了量子点壳层厚度与电荷存储能力的正相关关系。实验表明，厚度为4 nm的ZnSe壳层量子点突触可实现超过1000次的循环稳定性，且通过光刺激与电场协同作用，能量效率较传统器件提升约30%。该工作为环境友好型神经形态计算硬件提供了新范式。

　　光电子材料在人工神经形态器件的发展中扮演着至关重要的角色，这些器件旨在模仿人类神经系统中的视觉、感知和记忆功能。研究团队在本项工作中展示了一种基于InP/ZnSe核壳结构量子点（QDs）的可调控电荷存储能力，通过改变ZnSe壳层的厚度，成功实现了光电子记忆特性。这些QDs被集成到有机晶体管中，表现出依赖于壳层厚度的光电子记忆行为，具备光可编程和电可擦除的通道状态。分析表明，器件的光电子性能源于量子点中的光激发和随后的电荷存储过程。其中，壳层最厚的量子点器件表现优异，能够模拟人类视觉感知和记忆的全过程。此外，该器件还能通过光刺激操控，展现出频率依赖的突触增强/减弱、配对脉冲增强（PPF）、短期和长期记忆的转换，以及基于“学习经验”的行为。同时，研究发现，正向栅极偏压可以有效增强器件的光学响应，使得该设备能够成功模拟巴甫洛夫的条件反射实验，从而实现光学和电信号的关联学习特性。这一研究为人工光电子突触提供了一种稳定且可控的电荷存储介质，具有重要的应用价值。

人工神经形态器件的发展受到生物神经系统的启发，旨在模拟其适应性和高效的信号处理能力。这类器件在并行数据处理、在内存计算和能耗控制等方面展现出显著优势，成为实现自主感知、边缘计算和交互式机器人等应用的关键技术。目前，场效应晶体管（FET）基的人工突触被认为是一个极具前景的方向，因其与现有半导体技术的兼容性、信号调节的便捷性以及材料选择的多样性。突触行为的核心机制之一是电荷捕获效应，即电荷载流子被限制在介电或界面状态中，从而调节通道的导电性。这一机制使得人工突触能够模拟生物突触的基本功能，如短期和长期可塑性、双向权重调节以及非易失性记忆存储。此外，当这些量子点被适当设计时，它们还能响应多种刺激，包括电信号和光信号，从而实现多模态的突触功能，这对于以感知为导向的神经形态系统至关重要。

在这一背景下，胶体量子点（CQDs）作为一种多功能的纳米材料，因其独特的光电活性和电荷捕获能力而受到广泛关注。CQDs具有量子限制的能带结构、可调的表面状态以及高缺陷容忍性，这使得它们能够提供可调节的电荷动力学特性，并且其光谱响应范围可以覆盖可见光到红外光的波段。近年来，研究人员已经证明，CQDs可以被集成到光电晶体管结构中，实现具有光学可塑性和长期电荷保持特性的光电子突触。这些特性使得CQDs特别适用于神经形态视觉感知，因为视觉系统不仅需要检测光信号，还应具备“记忆”和“学习”光刺激的能力，这与生物突触中的过程相似。特别是，具有I型能带对齐的核壳结构半导体量子点，能够通过将光生载流子空间隔离，避免环境淬灭效应，从而延长电荷保持时间，实现稳定且非易失性的突触行为。

本研究中，通过调整ZnSe壳层的生长时间，获得了三种不同壳层厚度的InP/ZnSe核壳结构量子点，分别称为InP/ZnSe薄壳量子点和InP/ZnSe厚壳量子点。使用高角度环形暗场透射电子显微镜（HAADF-TEM）对这三种量子点进行了表征，显示它们的平均直径约为4纳米，而随着ZnSe壳层厚度的增加，其直径显著增大，这表明壳层的厚度对量子点的整体尺寸具有显著影响。同时，通过光致发光（PL）光谱和吸收光谱的分析，确认了ZnSe壳层的成功生长，且PL峰随着壳层厚度的增加而发生红移，表明光生激子的约束环境发生了变化。吸收光谱也显示，随着ZnSe壳层的增加，第一激子峰向更长波长方向移动，这与激子泄漏效应有关，即电子和空穴的波函数部分扩展到壳层中。

这些量子点随后被集成到基于P3HT的薄膜晶体管中，用于研究其光电子记忆特性。通过施加不同的栅极电压（V_G）和漏极电压（V_DS），研究人员对晶体管的转移特性进行了系统研究。在黑暗条件下，转移曲线显示出随着V_G扫描范围的扩大，滞后现象逐渐增强，表明电荷在扫描过程中被存储。同时，比较不同器件的滞后程度，发现壳层越厚，滞后现象越明显，说明厚壳结构能够增强量子点的电荷存储能力。在光照条件下，转移曲线的滞后行为与黑暗条件下的趋势相似，但方向有所变化，表明光激发能够促进电子的存储。为了进一步验证这一现象，研究人员直接监测了源漏电流（I_DS）在光脉冲后的动态响应。结果表明，随着ZnSe壳层厚度的增加，I_DS的衰减变得缓慢，说明厚壳结构能够增强电荷保持能力，从而实现更有效的电荷存储。

基于这些观察，研究团队进一步探索了该器件在模拟生物突触功能方面的潜力。通过施加不同频率的光脉冲，他们成功实现了突触的增强和减弱行为，这与生物突触中根据刺激频率调节突触强度的机制相一致。此外，该器件还能模拟配对脉冲增强（PPF）现象，即当两个相同的刺激脉冲以较短的时间间隔施加时，第二个脉冲的电流响应增强。这一现象表明，该器件能够模仿生物突触中短暂的钙离子积累过程，从而提高神经信号的传递效率。研究人员还通过改变光脉冲的次数和持续时间，模拟了从短期记忆（STM）向长期记忆（LTM）的过渡过程。结果显示，随着脉冲次数的增加，电流响应的峰值和保持时间也显著增强，这与生物系统中通过重复训练实现记忆巩固的机制相似。这些结果表明，该器件不仅能够模拟突触的基本功能，还能够实现更复杂的记忆行为，如记忆再巩固和经验学习。

为了进一步验证该器件在模拟经典条件反射方面的潜力，研究人员设计了一项实验，模拟巴甫洛夫的狗的条件反射行为。在实验中，正向栅极脉冲（V_G）和405纳米光脉冲分别作为条件刺激和非条件刺激，而源漏电流（I_DS）则作为突触后响应。实验结果表明，单独施加条件刺激（V_G）时，电流响应较弱，而单独施加非条件刺激（光脉冲）时，电流响应显著增强。在条件刺激和非条件刺激联合施加的情况下，电流响应进一步增强，表明正向栅极偏压能够显著提升光激发下的电子存储能力。这一现象与生物系统中通过联合刺激建立条件反射的机制相吻合，说明该器件能够实现复杂的神经学习行为。

此外，研究还发现，正向栅极偏压能够有效增强器件的光学响应。通过调节栅极电压的大小和施加时间，研究人员能够精确控制电流响应的强度和持续时间。这一特性使得该器件能够在模拟生物突触功能的同时，实现更低的能耗和更快的响应速度。虽然这些数值略高于某些先进的神经形态器件和生物突触的水平，但它们仍然在主流人工突触系统的合理范围内，表明该器件在实际应用中具有较高的可行性。同时，研究人员还探讨了如何通过增加量子点密度或引入额外的捕获中心来进一步优化器件的性能，以实现更广泛的突触权重调节和更高的稳定性。

最后，研究团队总结了这一工作的主要成果。他们成功开发了一种基于InP/ZnSe核壳结构量子点的光电子突触，其电荷存储能力与壳层厚度呈正相关。通过将这些量子点集成到P3HT基的薄膜晶体管中，他们构建了一个能够双向调节电和光信号的神经形态器件。该器件不仅能够模拟生物突触的多种功能，如频率依赖的增强/减弱、配对脉冲增强、突触权重调节和短期与长期记忆的转换，还能够通过正向栅极偏压增强光响应，实现经典条件反射的模拟。这些成果不仅为神经形态视觉系统提供了新的研究平台，也为基于核壳结构量子点的电荷动力学工程提供了新的思路，为未来开发更高效、更环保的神经形态硬件奠定了坚实的基础。